基于人工电磁结构的毫米波平面电大尺寸天线技术研究

Although milimeter-wave/sub-milimeter-wave antennas have the advantages of broad bandwidth, miniaturization and integration, their application are restricted by the expensive craftwork and sensitive error requirement. Thus the planar electrical large antennas (ELAs)technology based on PCB craftwork is proposed here.Some novel antennas based on metamateial structrues and printed antennas have been reported recently, however, most of them are concentrated on the low-band electrical small antennas (ESAs). Actually, with the unique properties of nonlinear transmission feature, back-wave characteristic and electromagnetic parameters controllable ability, metamaterial has been applied in designing ELAs. Based on the application requirement of ELAs in future wireless communication, the research program content can be divided into several sections as follows: the theory analysis of the electrical large metamaterial unit cell; the modal establishment and application research of nonlinear metamaterial-TL-based ELAs; the modal establishment and application research of back-wave characteristic metamaterial-based resonant ELAs. With the advantages of easy fabrication, low cost and insensitive error performance, the research achievement can be used to perfect the design theory and break a new path for ELAs technology which not only owns important theory significance but also far-reaching engineering application value.

毫米/亚毫米波高频天线具有宽带化、小型化、集成化等优点，然而昂贵的工艺成本和敏感的公差要求大大限制了高频段天线的应用推广。因此本项目提出基于印刷平板工艺的电大尺寸天线技术。目前已有文献报道结合新型人工电磁结构的特有属性与印刷天线的简单工艺实现具有特殊性能的天线，然而这些研究基本上都围绕在低频电小天线的设计。事实上，人工电磁结构凭借其特有的非线性传输特性、后向波辐射特性和电磁参数任意可控性为电大天线提供了理论和应用可能。项目从新型电大人工电磁结构单元的理论分析、非线性人工传输结构电大尺寸天线以及逆向波特性电大尺寸谐振腔天线的机理分析和应用研究等多个角度为发展电大天线技术开辟新的途径。毫米波平面电大尺寸天线在满足通信行业对高频频谱资源日益增长的开发和利用需求的同时，具有易加工、低成本且对制作公差不敏感等优势。本项目既具有重要的理论研究意义，又具有深远的工程应用价值。

昂贵的工艺成本和敏感的公差要求限制了毫米/亚毫米波高频天线的应用推广，人工电磁结构凭借其特有的非线性传输特性、后向波辐射特性和电磁参数任意可控性为电大天线提供了理论和应用可能。. 在电大人工电磁结构单元的特性分析基础上，由模型方程和场分布可得，在基模的谐振频点处腔体的尺寸远远大于未加载的谐振腔。验证了负介电常数和负磁导率的人工电磁结构材料可以实现电大尺寸谐振腔。由场分布图可以看出，YZ平面是凋落模，XZ平面的场分布满足两边场强相位反相，从而验证了是TM100模。验证了该腔体不仅具有电大谐振特性，而且具有设计电大尺寸天线的可能性。通过引入谐振型人工电磁周期结构，设计了多款平面电大尺寸天线。利用负介电常数与磁导率设计出电大尺寸谐振腔模型。当-1<μ*ε<0时，天线的基模TM100模可以突破其谐振尺寸的限制，从而实现了电大尺寸的谐振腔。哑铃型的电负结构实现了-1<μ*ε<0的参数要求，使得TM100谐振模式突破半波尺寸的限制，在相同物理尺寸的前提下，谐振频率提高了4.8倍之多，工作频率由6.3GHz提高到30GHz。进行了谐振型平面电大尺寸阵列天线的研究，设计了一款电大二元阵天线，增益提高了2.9dBi，验证了电大天线组阵提高增益的可行性。. 在传统的微带贴片天线的基础上，采用周期性的缝隙将整个贴片分割成若干个完全相同的子贴片。缝隙引入的耦合效应产生左手谐振特性以及上下贴片耦合和表面电流产生的右手特性，在原有谐振模式的基础上，产生更高频率的谐振模式。在此基础上，设计了一种具有电大谐振特性的圆极化微带贴片天线，在微带贴片天线中，金属层内设有L形缝隙，以实现对天线的圆极化激励。这样该微带贴片天线同时具有电大谐振特性和圆极化特性。. 毫米波平面电大尺寸天线在满足通信行业对高频频谱资源日益增长的开发和利用需求的同时，具有易加工、低成本且对制作公差不敏感等优势。项目既具有重要的理论研究意义，又具有深远的工程应用价值。