基于鈦酸鍶鋇材料和超表面的頻率可重構(gòu)天線研究.pdf

1、天線是通信和雷達(dá)系統(tǒng)射頻前端的重要組成部分。近年來，數(shù)字電路、信號處理、計算機(jī)芯片制造、軟件工程等技術(shù)領(lǐng)域取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，通信系統(tǒng)中端和后端已基本實現(xiàn)了全數(shù)字化的信號處理功能。但是，作為通信系統(tǒng)最前端的天線模塊，由于若干技術(shù)限制仍保持其傳統(tǒng)的模擬化工作模式，與中后端信號數(shù)字化的工作模式非常不匹配，這樣制約了整個通信系統(tǒng)的升級和更新?lián)Q代。因此，為充分地實現(xiàn)數(shù)字化重構(gòu)功能賦予現(xiàn)代通信系統(tǒng)的高度靈活性，作為射頻模塊硬件核心的可重構(gòu)天線技

2、術(shù)成為迫切需要解決的問題。目前可重構(gòu)天線領(lǐng)域的研究方向有如下幾方面：小型化、重構(gòu)功能多樣化、瞬時寬帶重構(gòu)、頻段大幅度重構(gòu)等，而頻率可重構(gòu)天線領(lǐng)域需要解決的主要問題是提高頻段重構(gòu)范圍和拓展頻段的瞬時帶寬。本文通過對鈦酸鍶鋇材料和電磁超表面材料的調(diào)諧性能分析，探究了基于這些新型材料的天線頻率重構(gòu)機(jī)制，設(shè)計并制備出輻射性能穩(wěn)定且調(diào)諧性能良好的天線單元樣品，實驗驗證了上述新型材料用于頻率重構(gòu)天線，可提高天線中心頻率的重構(gòu)范圍和拓展頻段的瞬時帶寬

3、。
　　鈦酸鍶鋇(Barium Strontium Titanate,BST)薄膜在GHz頻段調(diào)諧特性良好，介電損耗非常低，適于實現(xiàn)天線頻率的重構(gòu)，但該材料介電常數(shù)較高，會造成很嚴(yán)重的電磁波阻抗不匹配，也會產(chǎn)生非常明顯的表面波效應(yīng)，造成天線輻射效率過低。本文從電磁場的腔模理論出發(fā)，通過對理想饋電情況的合理近似，給出了較為準(zhǔn)確的基于BST材料的天線頻率重構(gòu)方程。同時，針對波阻抗失配問題，設(shè)計了縫隙耦合式的天線饋電結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步設(shè)計了

4、高通低阻微帶濾波器，降低了介質(zhì)表面波和外加偏置電流對天線輻射的不利影響。基于上述理論研究，本文設(shè)計并制備了調(diào)諧幅度超過10％的頻率可重構(gòu)天線樣品，其頻段內(nèi)中心最大增益均大于6dB，調(diào)諧幅度不僅達(dá)到了基于傳統(tǒng)調(diào)諧方式的重構(gòu)水平，且調(diào)諧潛力更大，輻射性能更加穩(wěn)定。
　　在前面頻率可重構(gòu)天線研究工作的基礎(chǔ)上，針對可重構(gòu)天線的瞬時帶寬過窄問題，本文提出并研究了縱向寄生耦合的頻段拓展模型，給出了該模型中心諧振頻率的設(shè)計公式，并通過在BST材

5、料上方加載獨立的FP腔，引入了額外的諧振頻段，且該頻段的中心頻率可隨BST介電常數(shù)的改變而同步移動。這樣一方面拓展了天線的瞬時帶寬，另一方面使得該瞬時帶寬也可以通過外加電場的控制進(jìn)行重構(gòu)調(diào)諧?；谏鲜鲅芯?，本文制備出瞬時帶寬達(dá)到23%的頻率可重構(gòu)天線單元樣品，遠(yuǎn)大于其他可重構(gòu)天線7%左右的瞬時帶寬，并且天線樣品的中心頻率依然能夠保持10%左右的調(diào)諧范圍。
　　通過對基于調(diào)諧材料的頻率可重構(gòu)天線的研究和分析發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)天線頻率重構(gòu)均

6、依靠改變天線的有效電尺寸，即改變電磁波的波程，這一思路雖然可以實現(xiàn)在調(diào)諧范圍內(nèi)的連續(xù)覆蓋，但是受限于基底材料的調(diào)諧能力，天線的重構(gòu)范圍不可能實現(xiàn)大幅度的頻段跳越。針對這一瓶頸，本文提出了基于突變相位的天線頻率重構(gòu)思路。同時，通過對超表面突變相位的研究，給出了透射突變相位的設(shè)計公式，設(shè)計出了特定透射功能的超表面結(jié)構(gòu)，并在實驗上獲得了驗證。在此項工作的基礎(chǔ)上，我們探索并研究了基于理想突變相位的微帶天線頻率重構(gòu)機(jī)制，給出了理想情況下基于突變相

7、位的微帶頻率重構(gòu)公式，理論上設(shè)計出了能夠?qū)崿F(xiàn)122%調(diào)諧幅度的可重構(gòu)天線模型。
　　針對超表面結(jié)構(gòu)無法嵌入微帶天線剖面的問題，本文采用了波導(dǎo)天線作為可重構(gòu)的模型，研究了基于超表面相位突變的波導(dǎo)天線頻率重構(gòu)機(jī)制。同時，通過對反射型超表面的設(shè)計，得到了特定反射相位色散的反射超表面結(jié)構(gòu)。最后，利用不同反射面的切換實現(xiàn)了天線工作頻率的重構(gòu)，理論和實驗結(jié)果均顯示，采用這一思路得到的可重構(gòu)天線，其中心頻率可跳越式地改變，調(diào)諧范圍可達(dá)到26.7