【摘 要】
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传统天线由于固定的电磁性能,限制了天线的应用,因此亟需新的电磁设计方法来解决现在天线所面临的问题。超表面是一种新兴的结构材料,具备自然界材料所不具备的特性,能够打破传统天线的物理极限,创新了人类对电磁波调控的方式。超表面天线一般采用空馈的方式,但由于在空间中固定的传输路径在不同频率具有不同的相位延迟,且受单元带宽限制,因此它的工作带宽一般都较窄。而随着无线系统的发展,越来越多的应用场景要求天线具有
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传统天线由于固定的电磁性能,限制了天线的应用,因此亟需新的电磁设计方法来解决现在天线所面临的问题。超表面是一种新兴的结构材料,具备自然界材料所不具备的特性,能够打破传统天线的物理极限,创新了人类对电磁波调控的方式。超表面天线一般采用空馈的方式,但由于在空间中固定的传输路径在不同频率具有不同的相位延迟,且受单元带宽限制,因此它的工作带宽一般都较窄。而随着无线系统的发展,越来越多的应用场景要求天线具有低剖面。因此解决超表面天线工作带宽较窄和剖面较高的问题,具有重要的研究意义。本文主要研究内容分为以下几点:一、针对传统超表面天线实现全相位调制存在的剖面较高和带宽较窄的问题,设计了一款引入超薄空气层的宽带低剖面超表面天线。该天线通过引入多谐振频点,扩展了超透镜天线的工作带宽,并引入了超薄空气层实现阻抗匹配,减少了天线的后向辐射并提高天线的增益。相比较于传统的超表面天线,该设计取消了1/4λ级联空气层,超表面的整体厚度为0.165λ。该天线的-1d B增益带宽为37.3%,孔径效率为42.3%,扫描至±40°时天线增益下降3.6d B。二、探究比较了1bit、2bit、3bit不同相位量化下超表面天线和连续型相位补偿圆极化超表面天线的性能。通过旋转单元构建了1bit、2bit、3bit和连续型的相位梯度,然后对比不同相位梯度下圆极化超表面天线的特性。对比了不同相位量化下圆极化超表面天线的特性。相位量化位数越高,超表面天线的增益越高,轴比越低,但是天线的-1d B增益带宽越窄,扫描至±40°时天线增益下降2.89d B。三、由于馈源至超表面的距离较远,为了降低超表面天线的整体高度,设计了一款折叠焦距的宽带圆极化低剖面超表面天线。该天线由极化转换面、圆极化表面和馈源构成。通过引入多个电共振与磁共振扩展了极化转换面的工作带宽,提高了极化转换率。最后基于射线追踪原理将超表面天线的焦径比折叠为原来的1/3,降低了天线的整体高度。测得天线的-3d B增益带宽为21.43%,3d B轴比带宽为26.43%。
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