近零折射率覆層高增益天線研究.pdf

1、近零折射率超材料覆層因其對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線通信領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)天線覆層使得天線剖面大幅度增加，這大大限制了覆層在天線上的應(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)計覆層與天線的高度l，覆層的尺寸a等較敏感參數(shù)，能夠在不明顯增加天線剖面情況下有效增加天線增益。本文將從這些方面入手，旨在為超材料覆層高增益天線提供應(yīng)用的理論指導(dǎo)、低剖面設(shè)計和最優(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上的應(yīng)用。系統(tǒng)介紹了近零折射率超材料對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)，在四個方向研究近零折射率超材料。通過二維和三維仿真實驗，驗證了當(dāng)εr近零時，電磁波將發(fā)生隧穿效應(yīng)。當(dāng)相對介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時近零時，電磁波還能幾乎無反射地透過超材料。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，實驗仿真驗證了這一點，為其在高增益天線上的使用奠定了理論基礎(chǔ)。
　　然后，通過使用Matlab-HFSS API，編寫Matlab程序控制HFSS建立大量Fishnet模型，計算不同尺寸下的S參數(shù)，然后將S參數(shù)導(dǎo)入反演程序，找到相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率的近零頻點。將得到的頻點數(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和結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算公式。通過運用公式計算以及仿真驗證了擬合公式的有效性。
　　再者，通過前面的

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)喇叭天線上。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)喇叭天線加載ENZ材料覆層時，喇叭的E面方向圖被壓縮；當(dāng)喇叭天線加載MNZ材料覆層時，喇叭的 H面方向圖被壓縮；當(dāng)喇叭天線加載 DNZ材料覆層時，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，增益在某些頻點會急劇下降。通過等效電路的計算，得出激勵源的阻抗Z0隨頻率變化的關(guān)系式，然后計算覆層距離喇叭激勵源不同高度與波長的關(guān)系，判斷在兩個增益凹陷頻點處整個系統(tǒng)發(fā)生了諧振。進(jìn)一步，將激勵源和喇叭波導(dǎo)部分進(jìn)行電路等效，通過等效電路計算的 S參數(shù)曲線走勢與HFSS計算的一致。然后得到了喇叭天線以及加載 ENZ覆層的喇叭天線的等效電路，通過計算發(fā)現(xiàn)覆層喇叭天線等效電路匹配頻點與HFSS仿真計算的頻點位置基本一致，共有5個頻點，這