基于全介质电磁超常材料的小型化高增益微带天线研究

微带天线小型化和高增益在当代通信技术中起着至关重要的作用，通常采用高介电常数基板、电磁带隙结构分别解决天线尺寸和表面波辐射的问题。本项目拟发展用于微带天线设计的基于全介质超常材料的各向同性高磁性、高阻抗的天线基板。利用等效媒质理论，研究基于介质颗粒Mie谐振原理实现高磁导率基板，探索宽频同相反射的实现方法和物理本质；通过对超常材料基板的等效电磁参数均质化处理，建立微带天线电磁场分布的本征函数，研究超常材料基板与微带天线耦合机理及其实现小型化和高增益天线的协同效应，获得微带天线性能优化所需基板的电磁参数和结构参数，指导介质颗粒的选择和制备；完成天线与基板的集成，建立基于全介质超常材料的小型化、高增益天线的设计准则。本项目采用的全介质超常材料具有高度各向同性特点，有助于充分发挥超常材料性能，对推动新型微带天线的设计具有重要学术价值和应用意义，在新一代通讯设备和物联网中均具有广阔的应用前景。

在本项目的资助下，课题组围绕微带天线的增益和尺寸问题，采用介质基超常材料，通过研究微带天线基板工作原理，摸清天线性能改善的关键因素，提出了超常材料的设计的需求；另一方面，着重于超常材料基本物理机制特别时谐振行为的研究，为天线的应用提供基础数据支撑。在项目的研究目标的框架下，基础研究与应用问题有机结合，主要取得了以下几方面的成果。.1、.介质基超常材料物性研究方面.主要开展单元耦合作用对颗粒谐振行为的影响，发现单元的耦合作用对谐振的频率和强度均由重要影响，这种影响随着耦合方位的不同而变化，更在特殊情况下，可激励新谐振模态；此外，研究同时发现单元间耦合可形成类电磁感应透明效应，虽然目前看来，这种效应对于本项目的天线的增益没有直接联系，但对电磁波传播速度调控应在天线其他方面有一席用武之地；.2、.天线的增益方面.天线的增益受影响因素很多，本项目重点聚焦了表面波的影响，提出了利用介质超常材料磁谐振时高阻抗、高磁导率特性，对电磁波进行高效反射的特点，改善天线性能。主要开展了采用介质基超常材料做偶极子天线的高效反射器，研究发现，介质基超常材料反射率近100%，且由于反射波同相，可实现辐射源与反射面集成设计，对低剖面天线意义重大；同时，将介质基超常材料集成于微带天线的四周，发现天线辐射的表面波可被介质基超常材料有效抑制，天线的半功率波束宽度明显收窄，天线增益提升3dB。.3、.天线的尺寸方面。.针对现有天线尺寸通过增大基板介电常数易造成了表面波增大，天线辐射效率降低的特点，提出了利用介质基超常材料磁性谐振，同时提供较大磁导率和介电常数，改善天线尺度。经对微带天线集成介质超常材料的优化设计，发现了人工磁性可有效降低天线的尺度。同时由于带来不可避免的磁性损耗，也容易导致天线辐射效率的降低。通过对磁性谐振波段的优化遴选，这种对增益的影响可进一步降低；通过在有限的尺度中集成两个辐射单元，实现了天线尺度减小一半，增益提高0.5dB，半功率波束宽度减小26度。. 在项目的开展过程中，部分科研结果已整理发表SCI论文10篇，其中影响因子大于3的7篇。申请国家知识发明专利2项，培养在读研究生2人。在项目资助下，项目负责人于2014年入选陕西省青年科技新星人才称号。