基于Metamaterial的电小天线研究.docx

1、硕 士 学 位 论 文论文题目：基于 Metamaterial 的电小天线研究授予学位学科专业：电子科学与技术研究方向：电磁场与微波技术硕士学位论文I摘要随着移动通信系统集成化水平不断地提高，对作为其中重要组成部分之一的天线提出了越来越高的要求。电小天线因其较小的电尺寸，便于电路集成的优点受到了天线设计者的广泛关注。近些年，国内外的研究者提出了许多基于 Metamaterial的电小天线，这类电小天线的优势在于无需外部匹配网络就能与现有的 50 馈源进行匹配，并且极大程度的提高了电小天线的辐射电阻，使其有着较高的辐射效率。本文重点研究了这种基于 Metamaterial 的电小天线工作机理，针

2、对电小天线阻抗带宽很窄及辐射效率不高的特点，分别提出了拓展电小天线阻抗带宽和提升其辐射效率的有效方案。并且对设计的电小天线进行了实物制作和测试，测试结果能够很好的符合仿真结果，验证了本文所做工作的正确性。本文的主要工作和创新点如下：(1). 对基于 Metamaterial 的电小天线的研究现状进行概述，详细分析了这种电小天线的工作机理，以此作为创新思想的来源和理论基础。(2). 提出以一种利用多个开口谐振环（SRR）结构来拓展电小天线阻抗带宽的方案。其创新点在于通过调整各个 SRR 的相对中心位置来降低 SRR 之间的串扰，将多个 SRR 各自的阻抗带宽有效的相加，就能够有效地拓宽电小天线的

3、阻抗带宽。我们利用三个 SRR 结构，设计只制作了一个阻抗带宽大约三倍于单个 SRR 结构的电小天线。(3). 提出了一种提高电小天线辐射效率的方案。其创新点在于通过将多个能实现强烈磁耦合的辐射体相叠加，辐射体之间的强耦合不仅能够有效降低天线的电尺寸，并且能够使每个辐射体上的电流呈相似分布的特性，这种电流分布特性能够有效地提升电小天线的辐射效率。我们利用 SRR 结构，设计制作了一个工作在 1/20波长的电小天线，其辐射效率能够达到 41%以上。关键词：Metamaterial，电小天线，阻抗带宽，辐射效率硕士学位论文IIABSTRACTWith the continuous improvem

4、ent of mobile communication system integration level, as one of the important part, more and more requests are proposed for antennas. Due to their reduced size and the capability to be integrated on chip, the electrically small antennas(ESAs) are attracting the antenna designers eyes. In recent year

5、s, the researchers proposed lots of metamaterial-based ESAs, at home and abroad. The advantages of these metamaterial-based ESAs is that they can naturally match the 50 source without the extra matching circuit, and the ESAs radiation resistance can be improved observably, i.e. a higher radiation ef

6、ficiency can be realized. In this paper, we put our emphasis on the working mechanism of these metamaterial-based ESAs. For the ESAs characteristics of narrow impedance width and limiting radiation efficiency, we proposed two schemes which reference to broaden ESAs impedance bandwidth and increase i

7、ts radiation efficiency, respectively. Also, two ESAs are fabricated and measured. The experimental results are in good agreement with the simulation results, which verify the correctness of the works in this paper.In this paper, the main works and innovation points are as follows:(1). Summarizing t

8、he research status of metamaterial-based ESAs and analyzing the work mechanism of this kind ESAs in detail, as the source of innovation and theoretical basis.(2). A scheme by using multiple split ring resonators (SRRs) to expand ESAs impedance bandwidth is proposed. The innovation point is that by s

9、hifting these SRRs to be non-concentric to decrease the mutual interaction. A broadband ESA can be achieved by simply adding up the three SRRs respective impedance bandwidth. We use three SRRs to design the ESA, which approximately has three times impedance bandwidth than the single SRR-based ESA.(3

10、). A scheme to improve the ESAs radiation efficiency is proposed. The innovation point is that by stacking the radiators which can realize strong magnetic coupling. Through the strong coupling, the radiators can oscillate at a wavelength much larger than its total size. 硕士学位论文IIIThe current distribu

11、tion on each radiator is similar, which can improve the radiation efficiency drastically. We use SRRs as the radiators, an ESA working at 1/20 wavelength is designed. The ESAs radiation efficiency can reach up to 41%. KeyWords：metamaterial, electrically small antennas, ESAs, impedance bandwidth, rad

12、iation efficiency硕士学位论文IV目录摘要 .IABSTRACT .II目录 .IV第一章 绪论 .11.1 研究的背景及意义 .11.2 电小天线的研究现状 .21.3 本文的主要研究内容 .2第二章 电小天线基本理论 .42.1 引言 .42.2 电小天线的基本参数 .42.2.1 方向性系数 .42.2.2 增益 .52.2.3 辐射效率 .62.2.4 阻抗带宽 .72.3 电小天线的理论极限 .72.4 本章小结 .11第三章 电小天线阻抗带宽的拓展设计 .123.1 引言 .123.2 基于 SRR 的单频电小天线 .123.3 多频段电小天线设计 .163.3.1

13、 双频段电小天线 .163.3.2 三频段电小天线 .183.4 电小天线阻抗带宽的拓展 .203.4.1 SRR 间串扰的减小 .203.4.2 电小天线三频段的相加 .223.5 实验论证 .243.6 本章小结 .26第四章 高效率电小天线设计与实现 .274.1 引言 .274.2 高辐射效率电小天线设计 .28硕士学位论文V4.2.1 基本辐射单元 .284.2.2 电尺寸的降低 .294.2.3 电流分布与辐射效率 .324.2.4 辐射效率的提升 .354.3 实验论证 .394.3.1 实验结果 .394.3.2 实验分析 .42第五章 总结与展望 .445.1 本文工作总结

14、.445.2 未来工作展望 .44致谢 .46参考文献 .47附录 .52硕士学位论文1第一章 绪论1.1 研究的背景及意义近年来无线通讯和物联网技术的飞速发展，对天线的设计和其性能提出了更高的要求。新一代无线通讯系统对天线设计者们提出了以下几个目标：电小尺寸、效率高、合适的带宽、成本便宜、易于制造以及便于系统集成。当一个天线的最大物理尺寸小于 2 时，这个天线就可以认为是电小天线，其中 表示自由空间波长。/ 不幸的是，传统的电小天线往往与上述几个目标背道而驰。例如，没有一个良好的匹配网络，电小天线因其较大的输入电抗和较小的输入电阻，不能与 50 的馈源直接匹配，所以导致其端口驻波比和辐射效率

15、往往都很低。对于天线设计者而言，若把精力放在设计高效率的匹配电路身上，不仅增加量工作量，而且整个天线系统所能达到的效率仍是受限制的。通常的匹配电路设计方式是，通过电路引入合适的共轭电抗值，使之与天线的电抗值相抵消；并且再通过引入一个 1/4 波长的阻抗变换器使天线的输入电阻与源的电阻相匹配。因此，天线如果附带了阻抗匹配网络，那么就很难做到电小尺寸。在 2003 年，R. W. Ziolkowski 等人率先将 Metamaterials（MTMs）引入了电小天线的设计当中，实现了电小天线的高效率工作而无需匹配网络的配合 1。所谓的 Metamaterials（MTMs） ，是经过特殊设计的一种

16、人工材料，它在特定频段所表现出来的电磁响应特性是自然存在的介质所不能达到的。MTMs 特有的性质，如负介电常数（ENG） 、负磁导率（ MNG）以及两者都为负值（DNG） ，为提升辐射系统和散射系统的特性提供了别具一格的设计方式 2-4。Ziolkowski 等人最先在文献 1, 5中出，若将一个电小的电偶极子天线，放置于理想的、均匀的双负介质（DNG）或负介电常数（ENG ）的球壳中，那么这个电小的电偶极子天线就可以有效地辐射能量。基于MTMs 的电小天线的研究在广大的天线设计者中就此展开，一系列设计新颖、性能优越的电小天线也得以问世。Split Ring Resonator（SRR）是 M

17、TMs 中的一员，它在特定频段能表现出负磁导率特性，在 1999 年由 J. B. Pendry 等人提出 4。因其能够产生强烈的电磁谐振和结构对称等优点，被广泛的运用在天线的设计中 6-18。本文在深入研究电小天线和 SRR 工作机理的基础上，设计了两款电小天线，借助这两款天线，向大家阐述了提升电小天线阻抗带宽和辐射效率的方案。无论是仿真模拟分析或是实验论证，都很好的验证了这两个方案的可行性。硕士学位论文21.2 电小天线的研究现状传统的电小天线多采用立体或平面的螺旋结构 19-22，通过增加螺旋的圈数来减小天线的电尺寸，其劣势有二。其一，这类天线往往不能与 50 的馈源实现直接匹配，匹配电

18、路上的损耗将不可避免。其二，由于金属圈数的增加，被延长的电流路径势必会增加天线的欧姆损耗。因此这类天线在辐射效率上的表现往往差强人意。将 MTMs应用在天线的设计中，打破了传统电小天线单一的设计方式，为广大的天线设计者带来了很多新颖的设计思路，是天线发展史上的一个里程碑。2003 年，R. W. Ziolkowski 等人研究发现，将一个无限小的电偶极子嵌入到一个由双负介质材料（DNG）中，极小电偶极子的电抗出现了明显的下降，这种 DNG 材料充当了天然的匹配电路，能够让极小电偶极子高效的辐射 1。在 2006 年，R. W. Ziolkowski 等人进一步研究发现，用负介电常数材料（ENG

19、）包围极小电偶极子，也有类似的特性 23。复合左右手传输线，有着类似于 MTMs 的性质，在同一年，Cheng-Jung Lee 将它们应用在了电小天线的设计中，为圆极化电小天线的设计提供了新的思路 24。借助于 MTMs 特有的匹配优势，A. Erentok 等人在 2008 年提出了多种平面结构（2D 结构）和三维结构（3D 结构）电小天线的设计方式，这其中有电型电小天线和磁型电小天线，他们统一称之为 EZ 天线系统 25。2008 年，Yong-jin Kim 等人将 Split-Ring Resonator（SRR）结构用在了电小设计的设计中，使用环形的小环馈电，通过馈电环与 SRR

20、结构之间的强耦合，SRR 就可以作为辐射体高效的辐射能量，也无需额外的匹配电路 26。2009 年，O.S. Kim 等人利用SRR 结构设计了一个 1/23.4 波长的电小天线，其辐射效率达到了 17.5%10。SRR 结构也可用来设计多频段电小天线，在 2011 年，Wang Lin 等人利用两个 SRR 结构，实现了电小天线的双频段辐射 27。Complementary Split-Ring Resonators（CSRRs）与 SRR相比，通过两个互补 SRR 强耦合，比 SRR 具有更强的小型化能力，也可用来设计电小天线 28。2013 年，Tang M. C.等人利用 CSRR 结

21、构设计实现了电小天线的定向辐射 7。1.3 本文的主要研究内容通过对上节所述的 MTMs 在电小天线设计中应用的国内外研究现状分析可以发现，合理正确地应用 MTMs 可以设计出很多性能优越的电小天线，具体表现在减小天线电尺寸、拓宽天线带宽或者提升天线辐射效率等方面。鉴于以上的研究，本文的工作主要包括以下几个方面。第一章主要介绍本文的研究背景及意义，电小天线在国内外研究现状，确定课题的研究方向。硕士学位论文3第二章介绍了电小天线的基本参数，以及这些基本参数的测量方法，另外对电小天线相关的理论基础也做了简要的介绍，是本文工作的重要理论依据。第三章首先介绍了基于 SRR 的单频电小天线，通过研究其特

22、性后，我们尝试着利用多个 SRR 设计多频段工作的电小天线。然后在此基础上，介绍了进一步减小各个SRR 间的串扰的方法，借助于此方法成功的将各个 SRR 独立的阻抗带宽相加，实现了对电小天线阻抗带宽的拓展。相关研究成果已经在 Electronics Letters 上发表，详见已发表论文1。第四章针对电小天线辐射效率难以提升的问题，提出一种提升电小天线辐射效率的方案。该方案利用多个 SRR 结构作为辐射体，通过将 SRR 相叠加，不仅有效地降低了天线的电尺寸，还能使天线保持较高的辐射效率。相关研究成果已经在 Scientific Reports 上发表，详见已发表论文2。第五章对对本文所做的工

23、作进行了总结，并对未来的工作提出了展望。硕士学位论文4第二章 电小天线基本理论引言前面一章对电小天线的研究背景、现状及研究意义做了简要的说明，本章主要介绍关于电小天线的一些基本知识，包括天线的各种常见基本参数以及这些参数的测量方法，另外对电小天线的理论极限做了介绍，为后面几章的分析做下铺垫。2.2 电小天线的基本参数2.2.1 方向性系数方向性系数（D）是天线最重要的参数之一，连同增益（ G）和辐射效率（）是天线最基本的参数。若在天线远场区的某一球面上，其最大辐射功率密度为(W/m2)，平均功率密度为 (W/m2)，则其比值就定义成方向性系数P(,) P(,)D，它是一个无量纲比值且 ，写成D

24、1(2.1)=(,)(,)其中，球面上的平均功率密度为(W/sr) (2.2)P(,)=14 4P(,)d在式（2.2）中， 表示微分面积所张的立体角，它的单位是 sr。显然，d=dd一个完整球面所张的立体角为 4 sr。因此，方向性系数又可以写成(2.3)D= 4 4(,)d=4式中， ，表示归一化功率波瓣图。(,)d= P(,)/P(,)由式（2.3）可知，方向性系数 D 又等于球面范围所张立体角 与天线的波（ 4 ）束范围 之比，显然的，D 与 成反比。若一个天线仅对上半空间辐射，其波束范围 ，则其方向性系数为=2 (=3.01 dBi) (2.4)D=42=2 式中 dBi 表示相对于各向同性的分贝数。对于一个理想的点源天线，其辐射呈全向性（ ） ，因此它具有最小的方向性系数，即 。而现实生活中一切天线，=4 =1其方向性系数都大于 1。此外，大家所熟知的半波偶极子天线，其波束范围，因此它的方向性系数 （相当于 1.76 dBi） 。=2.67 =1.5