新型电磁（光子）晶体贴片天线的研究

【摘要】： 对新型电磁(光子)晶体贴片天线的研究是近年来兴起的一个新的研究领域，该研究主要是利用电磁(光子)晶体结构所具有的独特性质抑制贴片天线内的表面波，显著提高天线的阻抗、方向性和增益等性能。虽然国内外已经在基底钻孔型、地面腐蚀型、高阻抗表面型、UC-PBG型、覆层型和软表面型电磁(光子)晶体贴片天线等方面开展了研究，但是在这些研究中还遗留着多方面的问题有待解决，以显著改善天线的性能指标，减少天线的体积，重量，降低天线的加工费用等。针对目前所存在的这些问题，本文主要做了以下几个方面的研究： (1)全面地理论研究了基底钻孔型和地面腐蚀型电磁(光子)晶体贴片天线。设计了一种基底钻周期圆孔结构的电磁(光子)晶体贴片天线，用FDTD方法并结合PML吸收边界条件对该天线进行了研究，结果表明本文所设计的基底钻孔型电磁晶体贴片天线取得了多方面的性能改善，与普通天线相比，基底中的表面波受到很大抑制，天线的带宽增加，远场方向图上天线的旁瓣和背瓣被明显削弱，向前辐射的增益由原来的12 dB增加到26 dB，增加了14 dB，比文献上报道的Gonzalo等人的研究结果提高了4 dB。全面地研究了地面腐蚀周期圆孔结构的电磁晶体贴片天线在基波频率处的性能，用FDTD方法并结合PML边界处理技术对该天线所取得的研究结果显示，本文设计的地面腐蚀型电磁晶体结构抑制了贴片天线中的表面波，增加了天线的带宽，并有效地削弱了旁瓣，使天线的E面方向图上110°和260°方向的两个旁瓣被削弱了10dB。 (2)首次提出了一种新的介质内钻孔的电磁晶体覆层结构。与文献所报道的矩形氧化铝棒结构相比，这种新的覆层结构由于采用了介质内钻空气孔的形式更容易加工实现。该覆层结构还大大缩小了尺寸，其横截面尺寸只有145 mm×145 mm，该尺寸比Thevenot等人设计的覆层减小了约2／3，比Qiu等人设计的覆层减小了约6／7。用FDTD方法并结合PML吸收边界条件，我们对加了这种新的覆层结构并且基底钻孔的复合结构电磁(光子)晶体贴片天线的性能进行了研究，结果证明加了这种新的电磁晶体覆层结构以后，天线的波束收拢很多，并且向前辐射的增益大大提高，与普通天线相比，天线的E面和H面方向图上向前辐射的增益均提高了约6 dB，另外，该复合结构天线的方向性系数达到了11.5 浙江大学博士学位论文 dB，与该物理尺寸天线的方向性系数的理论极限值(11.9 dB)相差0.4 dB，该 差值比Thevenot等人设计的电磁晶体覆层天线的相应差值减少了约4.1 dB，比 Qiu等人设计的电磁晶体天线的相应差值减少了约1 .5 dB。继理论研究之后，我 们还对加了这种新的覆层结构的复合结构电磁(光子)晶体天线进行了实验研究， 并取得了较好的实验结果。 (3)首次研究了一种新的平面圆环结构的软表面型电磁(光子)晶体贴片 天线。该平面圆环结构软表面天线是在空气介质的皱褶圆环结构软表面天线的基 础上改进得到，为了便于比较，我们首先研究了空气介质的皱褶圆环结构软表面 天线，用FDTD方法并结合PML吸收边界条件对该天线的性能进行了研究，结 果表明天线的带宽增加，天线的轴对称性得到了很大改善，E面和H面方向图 的波束几乎重合，天线的旁瓣和背瓣受到很大的抑制。对该皱褶圆环结构天线还 进行了实验研究并较好地验证了理论模拟的结果。为了克服皱褶软表面天线份量 重，加工费用贵等缺点，我们对空气介质的皱褶圆环结构软表面天线进行了改进， 将周期分布的皱褶圆环平面化，并保持结构的软表面特性，设计出了一种新的平 面圆环结构的软表面天线并进行了实验研究，加工的平面圆环结构天线比皱褶圆 环结构天线重量减轻了约1/4，加工费用大大降低，所取得的实验结果显示，该 平面圆环结构软表面天线的方向图的轴对称性得到了改善，在俯仰角从00一900 的范围内天线H面的波束与E面重合，与皱褶圆环结构相比，天线的旁瓣和背 瓣受到了更大的抑制，E面方向图上+1200方向的旁瓣被明显削弱。 总之，本论文从理论和实验两方面深入地研究了高性能新型电磁(光子)晶体 贴片天线的有关重要课题，所取得的结果表明，我们研究的基于电磁(光子)晶体 的新型贴片天线与传统天线相比具有显著优越的性能，它不仅保持了贴片天线的 低剖面，易集成等特点，还使天线的辐射性能得到了很大提高，这种性能优越的 新型天线在移动通信，卫星通信，航空航天等许多领域具有潜在的应用价值。