1、 硕 士 学 位 论 文 题 目 : 基于 Metamaterial 的电小天线研究 研 究 生 专 业 电路与系统 指导教师 完成日期 杭州电子科技大学硕士学位论文 基于 Metamaterial 的电小天线研究 研 究 生： 指导教师： Dissertation Submitted to Hangzhou Dianzi University for the Degree of Master Researches on Metamaterial-based Electrically Small Antennas Candidate: Supervisor: 杭州电子科技大学硕士学位论文 I
2、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，这些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
3、电小天线进行了实物制作和测试， 测试和仿真结果 有着高度 的一致性 ，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 拓宽电小天线的带宽 。 我们 利用三个SRR 结构 ，设计 只制
4、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 杭州电子科技大学硕士学位论文 II Abstr
5、act With the improvement of mobile communication system integration level unceasingly, as one of the important part of it, 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
6、 antenna designers eyes. The researchers at home and abroad proposed lots of metamaterial-based ESAs in recent years. The advantages of these metamaterial-based ESAs is that they can naturally match the 50 source without the extra matching circuit. And the radiation resistance ESAs can be improved o
7、bservably, i.e. a higher radiation efficiency 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 ES
8、As impedance bandwidth and increase its radiation efficiency, respectively. Also, these two ESAs were fabricated and measured. The results of numerical evaluation are in good agreement with experimental results. In this paper, the main work and innovation points are as follows: (1) Summarizing the r
9、esearch status of metamaterial-based ESAs and analyzing the work mechanism of ESAs in detail, as the source of innovative ideas and the theoretical basis. (2) A scheme by using multiple split ring resonators (SRRs) to expand the impedance bandwidth of ESAs is proposed. The innovation point of this s
10、cheme is that by shifting these SRRs to be non-concentric, the mutual interaction between them can be decreased. A broadband ESA can be achieved by simply adding up the three SRRs respective impedance bandwidth. We use three SRRs to design an ESA, the impedance bandwidth of this ESA approximately th
11、ree times than that of the usual single SRR-based ESA. (3) A scheme to improving the ESAs radiation efficiency is proposed. The innovation point is that by stacking the radiator which can realize strong magnetic coupling. Through strong magnetic coupling, the coupled radiators composite can oscillat
12、e at a wavelength much larger than its total size. We also show that when the current distribution on individual radiators is similar, the radiation efficiency of such ESAs can be drastically improved. We use SRRs as the radiators, a 1/20 wavelength ESA is designed. From our simulations and experime
13、ntal measurements, the ESAs radiation efficiency can reach up to 41%. 杭州电子科技大学硕士学位论文 III KeyWords： metamaterial, electrically small antennas, ESAs, impedance bandwidth, radiation efficiency 杭州电子科技大学硕士学位论文 IV 目录 摘要 .I Abstract . II 目录 . IV 第一章 绪论 . 1 1.1 研究的背景及意义 . 1 1.2 电小天线的研究现状 . 2 1.3 本文的主要研究内容 .
14、 2 第二章 电小天线基本理论 . 4 2.1 引言 . 4 2.2 电小天线的基本参数 . 4 2.2.1 方向性系数 . 4 2.2.2 增益 . 5 2.2.3 辐射效率 . 6 2.2.4 阻抗带宽 . 7 2.3 电小天线的理论极限 . 8 2.4 本章小结 . 11 第三章 电小天线阻抗带宽的拓展设计 . 12 3.1 引言 . 12 3.2 基于 SRR 的单频电小天线 . 12 3.3 多频段电小天线设计 . 16 3.3.1 双频段电小天线 . 16 3.3.2 三频段电小天线 . 17 3.4 电小天线阻抗带宽的拓展 . 20 3.4.1 SRR 间串扰的减小 . 20 3
15、.4.2 电小天线三频段的相加 . 22 3.5 实验论证 . 24 3.6 本章小结 . 27 第四章 高效率电小天线设计与实现 . 28 4.1 引言 . 28 4.2 高辐射效率电小天线设计 . 29 杭州电子科技大学硕士学位论文 V 4.2.1 基本辐射单元 . 29 4.2.2 电尺寸的降低 . 30 4.2.3 电流分布与辐射效率 . 33 4.2.4 辐射效率的提升 . 36 4.3 实验论证 . 40 4.3.1 实验结果 . 40 4.3.2 实验分析 . 44 第五章 总结与展望 . 46 5.1 本文工作总结 . 46 5.2 未来工作展望 . 46 致谢 . 48 参考
16、文献 . 49 附录 . 53 杭州电子科技大学硕士学位论文 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
17、 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
18、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
19、 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 MTMs 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
20、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 。 杭州电子科技大学硕士学位论文 2 1.2 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
21、 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）
22、 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
23、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 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。
