基于纳米磁-电介质超材料的小型化宽带脉冲辐射天线研究

Study on miniaturization and broadband impedance matching of the impulse antenna have significant research and practical applications on target detection, recognition, anti-stealth and UWB communication. While, ultra-wide band properties and abundant lower frequency components of the impulse are the key factors for restricting the miniaturization and broadband impedance matching of the antenna. This project is proposed to use molecular self-assembled and magnetron sputtering, respectively, fabricate the nano magneto- dielectric (NMD) materials and research on impulse antenna based on NMD materials, in order to reduce the physical size of the antenna, improve the radiation efficiency, and extend the impedance matching bandwidth. By controlling the microstructure and components of the materials, improve the ferromagnetic resonance frequency and reduce high frequency loss. And so, the higher work frequency and radiation efficiency of the antenna will be improved. By constructing periodic structure of the NMD materials, combining with optimization design of antenna, generated multi resonant frequency, and broaden the bandwidth of the antenna. The permittivity and the permeability of the material will be adjusted by controlling the microstructure and components of the materials, and then the miniaturization and impedance matching of the impulse antenna will be realized. Study on the intrinsic mechanism of improving the radiation of the antennas through the relationship between the microscopic characteristics of the material and the macroscopic electromagnetic parameters of the antenna. Moreover, this project also provides a new idea for design miniaturized ultra-wideband antenna and flexible antenna.

冲激脉冲天线的小型化、高辐射效率和宽带阻抗匹配在目标探测、识别、反隐身及超宽带通信领域具有非常重要的理论研究意义和实际应用价值。而冲激脉冲的超宽带特性和丰富的低频分量是制约天线小型化、高辐射效率和宽带阻抗匹配的主要因素。本项目拟采用分子自组装和磁控溅射方法，制备纳米磁性-电介质（NMD）材料，研究基于NMD材料的小型化冲激脉冲辐射天线，减小天线物理尺寸、提高辐射效率、扩展阻抗匹配带宽。通过控制材料的微结构和组分，提高材料的铁磁共振频率，降低高频损耗，从而提高天线高频工作频率和辐射效率；通过构建周期结构NMD材料，结合天线优化设计，产生多谐振频率，扩展天线带宽；通过控制材料的微结构和组分来调节材料的介电常数和磁导率，实现天线的小型化和宽带阻抗匹配；通过材料微结构、宏观电磁特性与天线辐射特性的关系，研究提高天线辐射性能的机理。本项目也为研究超宽带小型化天线和柔性天线提供一种新的思路。

冲激脉冲在目标探测、识别、反隐身以及超宽带通信等领域有广泛的应用前景。而对冲激脉冲辐射天线来说，如何减小天线物理尺寸、提高天线辐射效率、实现良好的宽带阻抗匹配具有非常重要的理论研究意义和有广泛的实际应用价值。.为了研究纳米磁-电介质材料对宽带脉冲辐射天线小型化和高效辐射等方面的贡献及其内在机制，建立了基于有效介质理论的纳米磁-电介质材料模型，并计算出相应模型的宏观电磁参数，从而指导材料制备过程。每种材料都利用同轴线的传输-反射法和单极子天线谐振频率变化分别测测量磁-电介质材料的复磁导率，用于验证模型的正确性及天线的设计。设计并加工了多款基于磁-电介质材料的宽带辐射天线，并与相同尺寸的纯电介质材料天线对比，研究磁-电介质材料对天线尺寸及辐射性能的影响。设计的天线包括：磁-电介质材料单极子天线、基于左右手复合传输线的频率可重构天线、基于超宽带带阻天线和C波段应用的频率可重构天线、基于磁电介质材料的微带贴片天线、基于基片集成波导的无线通信天线、基于磁电介质材料的双频单极子天线、基于磁电介质材料的基片集成波导天线设计、基于磁电介质材料5G双频基片集成波导天线设计、用于RFID的抗金属贴片标签天线等。.研究发现，单极子天线在采用磁-电介质基板后，天线工作频率显著降低，特别是当天线辐射体两边都用磁-电介质基板后，其最低工作频率接近纯电介质基板的一半左右；对于基片集成波导天线，将磁-电介质材料作为波导介质，也可有效地降低了天线尺寸，与纯电介质天线相比，尺寸降低了约30%左右，但是辐射效率也降低了8%。此外，磁-电介质材料等效电磁参数越高，厚度越大，天线的谐振频率降低得越多，但是对天线在工作频段内的增益和效率影响较小。但是更高的磁导率更容易引入高次模，同时磁导率的剧烈变化对天线输入阻抗的影响较大。.