近零折射率覆層高增益天線(xiàn)研究.pdf

1、近零折射率超材料覆層因其對(duì)電磁波的傳播具有能量隧穿效應(yīng)和近乎為零的折射率效果在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)天線(xiàn)覆層使得天線(xiàn)剖面大幅度增加，這大大限制了覆層在天線(xiàn)上的應(yīng)用。近零折射率材料能夠使得電磁波垂直材料表面出射，合理設(shè)計(jì)覆層與天線(xiàn)的高度l，覆層的尺寸a等較敏感參數(shù)，能夠在不明顯增加天線(xiàn)剖面情況下有效增加天線(xiàn)增益。本文將從這些方面入手，旨在為超材料覆層高增益天線(xiàn)提供應(yīng)用的理論指導(dǎo)、低剖面設(shè)計(jì)和最優(yōu)加載方案。
　　本文

2、首先從研究背景、研究現(xiàn)狀以及未來(lái)研究方向等方面闡述了近零折射率超材料的原理以及在高增益天線(xiàn)上的應(yīng)用。系統(tǒng)介紹了近零折射率超材料對(duì)電磁波傳播的兩大影響，即電磁波隧穿效應(yīng)和波前整形效應(yīng)。從ε-μ平面的坐標(biāo)軸出發(fā)，在四個(gè)方向研究近零折射率超材料。通過(guò)二維和三維仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了當(dāng)εr近零時(shí)，電磁波將發(fā)生隧穿效應(yīng)。當(dāng)相對(duì)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)近零時(shí)，電磁波還能幾乎無(wú)反射地透過(guò)超材料。根據(jù)Snell定律，材料的近零折射率能夠使得出射電磁波傳播方向垂直

3、材料的出射面，實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證了這一點(diǎn)，為其在高增益天線(xiàn)上的使用奠定了理論基礎(chǔ)。
　　然后，通過(guò)使用Matlab-HFSS API，編寫(xiě)Matlab程序控制HFSS建立大量Fishnet模型，計(jì)算不同尺寸下的S參數(shù)，然后將S參數(shù)導(dǎo)入反演程序，找到相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率的近零頻點(diǎn)。將得到的頻點(diǎn)數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行擬合，最終得到材料近零頻率點(diǎn)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算公式。通過(guò)運(yùn)用公式計(jì)算以及仿真驗(yàn)證了擬合公式的有效性。
　　再者，通過(guò)前面的

4、理論指導(dǎo)，將理想的電近零（ENZ）、磁近零（MNZ）和雙近零（DNZ）超材料分別加載到X波段標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線(xiàn)上。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)喇叭天線(xiàn)加載ENZ材料覆層時(shí)，喇叭的E面方向圖被壓縮；當(dāng)喇叭天線(xiàn)加載MNZ材料覆層時(shí)，喇叭的 H面方向圖被壓縮；當(dāng)喇叭天線(xiàn)加載 DNZ材料覆層時(shí)，喇叭的 E面和H面方向圖均被壓縮。三種近零折射率超材料均有改善喇叭天線(xiàn)增益的效果，在距離喇叭口徑為1mm或者2mm出的增益達(dá)到最大，隨著距離增大，增益下降。當(dāng)覆層距離喇叭高度

5、確定時(shí)，增益在某些頻點(diǎn)會(huì)急劇下降。通過(guò)等效電路的計(jì)算，得出激勵(lì)源的阻抗Z0隨頻率變化的關(guān)系式，然后計(jì)算覆層距離喇叭激勵(lì)源不同高度與波長(zhǎng)的關(guān)系，判斷在兩個(gè)增益凹陷頻點(diǎn)處整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生了諧振。進(jìn)一步，將激勵(lì)源和喇叭波導(dǎo)部分進(jìn)行電路等效，通過(guò)等效電路計(jì)算的 S參數(shù)曲線(xiàn)走勢(shì)與HFSS計(jì)算的一致。然后得到了喇叭天線(xiàn)以及加載 ENZ覆層的喇叭天線(xiàn)的等效電路，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)覆層喇叭天線(xiàn)等效電路匹配頻點(diǎn)與HFSS仿真計(jì)算的頻點(diǎn)位置基本一致，共有5個(gè)頻點(diǎn)，這