基于电磁波时间反演的亚波长阵列天线研究

In modern wireless communication system, antenna has become an important part of the radio equipment. However, antenna miniaturization problem has been become a prominent problem for the limitation of its own characteristics. Electromagnetic time reversal technique can make the sub-wavelength array antenna with the property of super-resolution focusing. So each unit of antenna array has the ability of independent channels. The problems of mutual coupling, wide angle-impedance matching and wide angle beam scanning which are caused by array antenna miniaturization can be solved. In order to meet the design requirement of super-resolution focusing characteristics of sub-wavelength array antenna, this topic is mainly research on the operating mechanism, wide angle impedance matching and wide angle beam scanning of the sub-wavelength array. By the researching the relationship between the antenna construction, the mutual coupling and the super-resolution focusing characteristics, the practical design method of sub wavelength array antenna and radiating unit can be got. Based on the previous research, the implementation method of the beam shaping and beam scanning of sub-wavelength array antenna are further studied. The results of this topic can supply the support of the theoretical basis for the design of the high-performance sub-wavelength miniaturization sub-wavelength array antenna with high performance in wireless terminal equipment.

无线电设备的小型化使得天线单元及阵列的小型化问题日趋突出。电磁波时间反演技术能够使亚波长阵列天线(小型化并经过特殊设计)具有超分辨率聚焦特性，阵列的每个单元具备一路独立通道的能力，有望解决亚波长阵列天线的互耦、宽角阻抗匹配、宽角波束扫描等电性能恶化问题。本课题拟从具有超分辨率聚焦特性的亚波长阵列天线的设计需求角度出发，以二维亚波长阵列天线为主要研究对象，利用电磁波时间反演技术的时间和空间上的自适应的聚焦特性和电磁超材料技术在天线小型化方面的应用，探索研究基于时间反演技术的具有超分辨率聚焦特性的亚波长阵列天线的工作机理；研究切实可行的亚波长阵列及单元实现方法;研究亚波长阵列天线的结构、互耦等参数与超分辨率聚焦特性之间的关系，宽角阻抗匹配及宽角波束扫描等问题;并进一步探索研究基于电磁波时间反演技术的亚波长阵列天线的波束赋形及波束扫描的实施方法。

本项目主要研究基于时间反演技术的具有超分辨率聚焦特性的亚波长阵列天线，项目相关的主要的理论及研究成果可应用于阵列天线的小型化、提高有效全向辐射功率及扫描能力等方面。. 在超分辨率聚焦特性的亚波长阵列天线的工作机理方面，理论研究了时间反演技术本身，分析结果表明时间反演技术只是一个信号处理的算法，本身并不具有时间和空间上的聚焦能力。借助电磁波时间反演技术能否实现空间和时间上的聚焦严重依赖于系统所处的散射环境，也就是系统响应。研究了天线对时间反演算法实施过程中的影响，分析结果表明虽然单天线系统在时域发射和接收特性不具有互易特性，但是双天线系统在时域仍然满足时间反演技术对互易特性要求。 从量子力学中的不确定关系理论，研究分析了基于时间反演技术实现超分辨聚焦特性时，凋落波到传播波的转换的必要性。研究分析了凋落波和传播波分解方法。并说明了凋落波中包含有高频信息。. 在亚波长阵列天线的单元设计方面，设计了小型化的Vivaldi天线单元，该天线通过引入短路线的方法，实现了天线的小型化；设计了基于超材料概念的矩形亚波长天线单元，该天线尺寸只有λ/13×λ/246×λ/12（长×宽×高），|S11|（dB）≤-10dB带宽为23MHz左右，相对带宽为1.5%。仿真的天线增益为2.3dB。设计了基于集总元件加载的半loop天线，该天线尺寸为λ/15×λ/120×λ/24（长×宽×高），|S11|（dB）≤-10dB带宽为10MHz左右，相对带宽为0.4%。仿真的天线增益为3.2dB。. 在研究设计亚波长天线单元的基础上，提出了基于UC-EBG和DGS的单元间互耦抑制方法，将该结构引入到间距为0.22λ的微带天线之间，实现了13-18dB的互耦抑制效果。设计了基于小型化Vivaldi天线的一维亚波长阵列天线，单元间距为λ/10，在阵列天线周围引入精细结构后，使天线周围的凋落波转化为传播波，实现了一维亚波长阵列天线的超分辨聚焦特性。设计了基于超材料概念的亚波长天线单元的二维亚波长阵列天线，天线阵列规模为5×5，单元间距为λ/12，在阵列天线周围引入精细结构，实现了阵列天线的超分辨率的聚焦特性。