基于Non-Foster电路的可重构EBG结构及其应用研究

Wide band and reconfigurable Metamaterials is in high demand in the field of wireless communication. Narrow and unchangeable operating bandwidth of electromagnetic bandgap(EBG) structure constitutes the major reason in reconfigurable antenna's application, which severely constricts the development of radiation pattern. Therefore, it is essential to broaden bandwidth. In the region of reconfigurable EBG structure, the key issue is to intelligent control the EBG units which is connected with or without non-foster circuits. To address this problem, this project will focus on the wideband properties of the EBG structure. By exploiting non-foster circuits, the properties and bandwidth in high frequency of negative impedance will be studied. The reconfigurable EBG structure will be fabricated to testify the wide bandwidth. The sample of the proposed EBG structure with non-foster will be used to improve the radiation pattern. However, once these EBG structure is fabricated, the operating band is also fixed, which makes the EBG hard to accommodate new services. Therefore, it is more desirable to design a non-foster reconfigurable EBG with a flexibly tunable operating band or wideband, which can provide the theoretical foundation and technical support for antenna pattern.

宽频/可重构的电磁超材料在通讯领域有重大需求。窄带和带隙频段保持不变是导致电磁带隙结构(electromagnetic bandgap,EBG)无法应用于宽频/可重构天线的主要因素，严重制约着天线辐射性能的发展。因此展宽EBG结构的带隙宽度是提高天线辐射性能的必要前提。如何智能的控制EBG结构的周期单元，准确的在所需的单元上接入non-foster电路元件是智能控制EBG结构的难题。为此，本课题首先针对EBG结构的宽带特性展开研究，探索non-foster电路产生负阻抗的特性及其变化范围，构建具有智能控制的可重构EBG结构样品，实现宽带EBG结构，进而将其应用于天线上改善辐射特性。通过本项目的研究，在一定程度上解决EBG样板加工好后，就无法在调控带隙位置以适应无线通讯的需求的问题。研究基于non-foster电路元件的可重构EBG结构,为天线应用奠定理论基础,提供应用保障。

本项目首先完成L波段的non-foster电感元件设计，打破了non-foster电路仅用于微波低频段，且non-foster电路等效元件参数波动性较大，不利于实际应用的缺陷。不仅可在中心频率130%的频带范围内实现宽带稳定的负电感特性，而且其等效负电感的绝对值可以非常接近0，使其不但可用于微波，而且还可用于宽带感性天线的匹配，还可用于EBG结构中展宽带宽。.其次，完成多个负阻抗变换电路的控制方案。设计了一种通用的LED台式屏及其控制系统，屏体设计将行列驱动器集成在LED屏幕中，系统采用ATMEL公司的AT89C51为核心处理器，通过串口电路实现了上位机与下位机之间的通信，解决了通用屏的硬件设计，并完成了对LED屏幕的驱动显示。利用LED屏控制功能实现EBG结构单元的可重构设计。.该项目中不仅可实现简单的2×4和1×8阵列的单元控制，还可利用AT89C51实现单元的任意控制，即通过74HC138和74HC595的编码设计，以实现任意单元的通断控制，极大的改善了电路一旦设计好就不能调整的困难。.最终将non-foster电路实现的负电感元件应用于传统EBG结构上，在保持单元结构不变的条件下，可重构EBG结构的表面波带隙可达到近70%左右，同时实现了多带的同向反射相位带隙调控，真正实现基于non-foster电路的可重构EBG结构设计。一旦可重构EBG结构单元可以任意调控，则其带隙范围将大大展宽，结构特性突破，其应用领域将大为改善。