超构天线:原理、器件与应用

自从电磁波被发现和应用以来,利用各种材料或者结构调节电磁波的辐射行为、构造高性能的电磁辐射器件一直是研究人员的追求目标.经过百余年的发展,电磁辐射器件的方向性提高、带宽拓展等技术逐渐达到瓶颈.受自然材料电磁特性的限制,微带天线、喇叭天线等传统电磁辐射器件存在体积重量大、工作带宽窄、无法快速动态调控等缺陷,难以满足日益发展的通信技术的需求.近年来出现的亚波长结构可在深度亚波长尺度下调控电磁波的传输行为,出现了多种奇异的电磁现象,完善了传统的电磁学理论,在一定程度上突破了传统材料电磁特性的限制,形成全新的电磁辐射技术,有效解决了传统天线存在的口径大、厚度高、带宽窄等难题,促进了电磁学、光子学、材料学等领域的发展.这种基于超构材料的新型天线可以被称为超构天线,具有高方向性、低副瓣、超宽带、可重构等传统天线难以实现的功能.本文主要回顾了近年来基于亚波长超构材料的超构天线技术的发展现状和取得的成果,介绍了超构材料在亚波长尺度下对电磁波振幅、相位、偏振态等的衍射调控机理,以及在此基础上形成的新型辐射器件,例如相控阵天线、高方向性天线、低雷达散射截面天线,基于亚波长结构的多种偏振调控器件及其在天线中的应用等.在衍射极限尺度下,这种亚波长结构的调控行为可有效提升电磁辐射器件的方向性、带宽,并可重构天线的工作频率、偏振态等性能.     

基于驻极体材料的机械天线式低频/甚低频通信磁场传播模型

低频/甚低频电磁波的频率极低,趋肤深度较深,可以以很小的损耗穿透海水和地下来进行通信.传统的低频发射天线存在尺寸和功耗较大的问题,本文采用驻极体材料设计了一种机械天线式低频/甚低频发射天线结构.利用激励装置驱动驻极体所带极化电荷进行机械运动,从而产生交变的电磁场,并激发出电磁波携带能量和信息,在一定的媒质中传播,以实现电磁波的高效辐射,颠覆了传统低频/甚低频发信系统中天线尺寸需与辐射信号波长相比拟的约束.基于该结构,本文建立了磁场传播的解析模型,并据此研究了天线尺寸、形状等相关参数对天线性能的影响.给出了天线所产生场强随几何参数如半径、高度等的变化规律,同时对比了两种不同磁场模型仿真计算的结果,阐述了在实际情况中需要根据天线尺寸和传播距离等条件来选择适合的模型.研究工作对于指导机械天线设计和优化天线结构具有重要意义.     

光电导天线产生太赫兹波的研究

研究了光电导天线产生太赫兹波的辐射特性,采用时域有限差分方法(FDTD)来模拟计算光电导偶极天线的辐射特性,并在计算机上以伪彩色图进行了图形显示。采用电偶极子天线模型,以0.1THz电磁波为例计算了天线辐射的特性参数,得到天线的辐射电阻为790Ω,方向性系数为1.5。结果表明,光电导天线可以采用偶极天线的理论进行计算,可以通过提高电长度来增大辐射电阻,从而提高太赫兹的辐射功率。     

各向同性等离子体覆盖金属天线辐射增强现象

以飞行器再入大气层时面临的通信“黑障”问题为研究背景,考虑粒子动力学效应,采用温等离子体介电常数模型,理论分析了各向同性等离子体覆盖圆柱金属天线构型中角向对称电磁模式的色散特性、传播特性及辐射特性.研究结果表明:在低气压、电磁波频率w/(2π)=1 GHz参量条件下,界于金属天线表面和主等离子体层之间的鞘层厚度约为几个德拜长度;角向对称模在天线表面的传播属于快波(波的相速大于光速)辐射,且存在一个临界等离子体密度,超过此临界值电磁波变为消逝波;存在一个临界归一化鞘层厚度(ι/λ_De)_pha(或(ι/λ_De)_att),超过此临界值时,相位常数(或衰减常数)幅值开始陡升(或陡降),即波的传播特性发生显著改变;当金属天线半径为3倍等离子体趋肤深度、鞘层厚度为整个等离子体层厚度的0.1倍时,电场和功率出现“椭圆形轮廓”辐射增强现象,其可能是由等离子体频率共振和等离子体-鞘层-天线系统阻抗共振引起,这些结论为相控阵天线的高分辨率成像等问题提供了理论思路.     

2.4/4.8/7.2 GHz三频段谐波雷达天线的研究与设计

研究设计了一种应用于手持式谐波雷达的三频段单极子天线。天线采用共面波导馈电,通过在单极子天线主辐射体加载L型辐射枝节、在接近主辐射体的接地平面开三角形切口的方法,使其谐振于2.4 GHz,4.8 GHz和7.2 GHz三个频段。同时,在距离天线10 mm处加载金属挡板,使天线辐射方向性增强,并能接收多个方向反射的电磁波。所实现的天线尺寸为54 mm×53 mm×1.6 mm,在三个工作频段上的带宽分别为0.51 GHz(2.35～2.86),1.39 GHz(4.17～5.56),1.46 GHz(6.17～7.63),能够有效覆盖谐波雷达全部的工作频段;由天线的峰值增益和辐射方向图可知,天线在工作频段内增益性能和整体辐射性能良好。     

加载异向介质的太赫兹频段高方向性喇叭天线

设计了一款工作在太赫兹波段的类三角形异向介质单元,对传输系数进行处理得到单元的等效介电系数和有效磁导率,数据结果表明该单元在太赫兹波段出现双负频段.通过将该类三角形异向介质应用于太赫兹波段的喇叭天线,利用零折射率特性制作天线填充介质实现电磁波的定向辐射,减小天线的后向波能量损耗,达到提高天线方向性系数和增益的目的.实验结果表明:加载类三角形异向介质单元后的喇叭天线的后向波辐射减弱、前向辐射效率增强,方向性系数提高了46.86,增益提高了2.77dB.     

视频调制器

“视频调制器”通过对电磁波的发射、传播、接收来加深中学的电磁波实验部份。一、原理由集成电路μPC1507及外围电路完成大,它的作用是将前级信号放大27dB左右,同时隔离后级对前级的影响,使发射机工作稳定。为了使功放级得到足够的激励电压,功放级前设置激励级。该级工作在甲类状态,R_(10)、R_(11)、R_(12)构成混合偏置电路和直流反馈电路,C_(16)、C_(17)为高频、低频旁路电容。功放级作为信号放大的终端,仍然工作在甲类状态。功放级是以天线为负载的,具有一定功率的高频波通过中介回路送至天线     

磁窗减缓等离子体对天线性能的影响

飞行器以高超声速再入大气层返回地球时,飞行器周围形成等离子体鞘套,等离子体会影响电磁波的传播特性,严重时通信甚至完全中断。从理论上分析了外加磁场时电磁波与等离子体的相互作用机理,提出了利用永磁体和螺旋天线一体式的设计方式,即磁窗天线,并研究了在等离子体环境中螺旋天线和磁窗天线的性能,仿真结果表明,利用永磁体和螺旋天线一体式设计的磁窗天线,可以减弱等离子体对天线性能的影响,这为解决飞行器再入通信中断问题提供了一种有效途径。     

微波两径传播模型影响因素分析

研究微波两路径传播模型效果及影响因素.应用电磁波和天线理论,推导出两径波叠加电场振幅和接收功率的表达式,给出了叠加电场振幅和功率与天线水平距离关系的图像.结果表明,微波两路径传播时,接收点处电场振幅和接收功率都随天线间的距离呈现波动性,天线高度和天线间距离直接地影响接收点电场的振幅和接收功率,但天线间距离的影响更大.     

近地面三阵子天线估计电磁波到达角和极化参数

从自由空间中的三阵子天线求入射电磁波极角和方位角的基本原理出发, 结合电场各个分量与极化方式之间的关系给出了左手极化波计算波达角的公式, 及地球表面上方三阵子天线判断入射波极化方向的方法; 本文提出了一种新颖的滤除地面反射波的方法, 保证了波达角的求解精度; 利用获得的高精度的波达角和测得的电场强度, 计算出了电磁波的各种极化参数, 这些极化参数可以作为电离层研究和电磁波在电离层中传播研究的参考. 关键词： 地球表面 三阵子天线 波达角 极化参数     

平坦等频面双曲超材料的奇特电磁传输性

电磁波在媒质中的传输行为与媒质等频线的形状密切相关。双曲超材料的等频面为开放的双曲面,它支持任意大波矢的传播,将通常环境中以倏逝波形式存在的电磁波大波矢分量转换为传播场,从而实现更多奇特的电磁传输性。基于双曲线型等频面超材料,通过调节等频线的形状,制备出兼具双曲超材料和零折射率材料的新型材料,该材料不仅可以支持大波矢实现高方向性单向传输,同时可以将任意角度入射的电磁波以零角度折射,从而实现亚波长聚焦和超分辨特性。利用微波实验验证了高方向性单向传输特性、亚波长聚焦和超分辨特性,该研究为双曲超材料的理论和应用研究提供了更多的可能性。     

0.22 THz二维电磁带隙波导和阵列天线设计

基于二维电磁带隙（EBG）结构,设计了工作在0.22 THz的直波导传输线和90弯波导传输线。数值模拟结果显示:直波导和弯波导的S21参数在0.22 THz处均大于10-5 dB,20 GHz模拟频带内的S21参数分别大于-0.001 dB和-0.003 5 dB。EBG结构很好地阻止了电磁波在电磁带隙内部的传播。基于EBG结构波导,设计了3 dB功分器和H面扇形喇叭阵列天线。数值模拟结果显示:功分器的S21参数在0.22 THz处为-3 dB,阵列天线方向性为17.1 dBi,具有较小的旁瓣和后瓣,E面和H面方向图均具有良好对称性。     

V型纳米金球阵列天线侧向散射方向性的数值模拟

纳米天线侧向散射的方向性在生物感测以及表面增强光谱学等领域都有重要研究价值。侧向散射方向性的产生需要破坏纳米天线相对于平面波极化方向的镜像对称,由纳米粒子阵列构成的纳米天线排列灵活,易于实现非镜像对称结构。采用T-matrix方法对V型纳米金球阵列天线进行数值模拟,研究了其侧向散射的方向性,分别讨论了不同阵元数目构成的不同臂长、不同臂间开角、不同球形阵元半径、不同阵元球心间距对V型天线侧向散射方向性的影响。研究表明V型纳米阵列天线具有侧向散射方向性的可调性。     

磁场对螺旋波等离子体波和能量吸收影响的数值研究

本文考察在径向电子数密度呈抛物形分布的情况下,外加稳恒磁场,射频通过螺旋波天线在等离子体中激发电磁波的传播性质.采用线性扰动波假设,数值求解Maxwell方程组,得到80—800 G(1 G=10-4T)磁场条件下等离子体中径向电、磁场强度及能量沉积密度的分布情形.计算结果表明,磁场增大(80→800G)时,螺旋波受到的阻尼较小,可深入等离子体传播;Trivelpiece-Gould(TG)波受到的阻尼增大,在等离子体-真空边界处衰减增强;整体的能量吸收向边界集中.磁感应强度小于100 G时,TG波可深入主等离子体区传播,等离子体径向能量吸收相对均匀.     

等离子体天线色散关系和辐射场数值计算

研究了电磁波沿轴向对称柱形等离子体天线传播的特性、色散关系及辐射方向图、增益等天线参数.通过对腔体材料介电系数、内外半径、等离子体密度、碰撞频率等参数的分析，结果表明要减小波沿等离子体天线传播的衰减，应当增加等离子体密度，减小碰撞频率，增加等离子体半径，减小腔体厚度，采用介电系数较小的材料.计算了在不同参数条件下，等离子体天线的辐射方向图、增益的变化，这些结果对于等离子体天线的设计很有参考价值. 关键词： 等离子体天线 色散关系 增益 辐射方向图     

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采用数值模拟方法研究了EAST低杂波天线的耦合特性。基于二维线性耦合理论,计算了天线功率反射系数和方向性系数与等离子体参数的关系,分析了无源波导对天线耦合性能的影响,并给出了不同参数下天线的功率谱。结果表明,无源波导使天线的方向性略有下降,但减小了天线的功率反射系数,这有利于天线与等离子体的耦合。     

EAST低杂波天线耦合特性研究

采用数值模拟方法研究了EAST低杂波天线的耦合特性。基于二维线性耦合理论,计算了天线功率反射系数和方向性系数与等离子体参数的关系,分析了无源波导对天线耦合性能的影响,并给出了不同参数下天线的功率谱。结果表明,无源波导使天线的方向性略有下降,但减小了天线的功率反射系数,这有利于天线与等离子体的耦合。     

一种新型宽带定向性贴片天线设计

利用超材料概念,通过在接地面上蚀刻条形缝隙图案,并引入"八木"天线中的反射器和引向器的设计思想,设计并且制作了一种超宽带强定向型贴片天线.仿真结果表明,天线相对带宽为65.3%(6.9—13.6 GHz),带内回波损耗均在-10 d B以下,整个频段内天线的增益均在4.4 d Bi以上.由于接地板上蚀刻的超材料结构的左手特性影响了天线介质基底的等效媒质参数,天线电磁场的传播方向被改变,天线辐射场主要集中在水平方向而不是传统贴片天线的垂直方向.在传统的贴片天线上引入反射器和引向器增强了天线的方向性.实验结果与仿真结果有较好的一致性.     

Ku/K波段双频涡旋电磁阵列天线设计

涡旋电磁波具有携带轨道角动量的特性,利用这一特性,采用涡旋电磁波作为信号的载体,可以实现同一时间、同一频段的多路信号传输,极大地提高系统容量和频带利用率。以同轴馈电的半圆型开槽微带天线为单元,设计出了一种能工作在Ku波段和K波段的涡旋电磁阵列天线。使用三维电磁场仿真软件建模并且优化参数,最终得到在中心频率分别为17.1 GHz和19.7 GHz时,阵列天线产生的电磁波携带有轨道角动量。结论表明:该阵列天线能够产生双频涡旋电磁波。     

S—Ka频段电磁波在等离子体中传输特性的实验研究

在感应耦合等离子体风洞上开展了等离子体中电磁波传输特性实验研究,获得了不同频率电磁波在等离子体中的传输衰减.通过微波诊断技术,获得了等离子体射流的电子数密度和碰撞频率.通过矢量网络分析仪和标准增益天线组成的电磁波传输特性测试系统,获得了电磁波经过等离子体之后的衰减,研究了电子数密度范围7.0×10~(10)-1.0×10~(13)cm~(-3)、等离子体碰撞频率在109 Hz量级的等离子体对2.6—40 GHz不同频率电磁波传输特性的影响,分析了经典传输理论和薄层理论预测结果与实验结果的差异.该实验工作为等离子体中电磁波传输特性的理论研究和数值仿真提供了基础数据.