基于鈦酸鍶鋇材料和超表面的頻率可重構天線研究.pdf

1、天線是通信和雷達系統(tǒng)射頻前端的重要組成部分。近年來，數字電路、信號處理、計算機芯片制造、軟件工程等技術領域取得了突飛猛進的發(fā)展，通信系統(tǒng)中端和后端已基本實現了全數字化的信號處理功能。但是，作為通信系統(tǒng)最前端的天線模塊，由于若干技術限制仍保持其傳統(tǒng)的模擬化工作模式，與中后端信號數字化的工作模式非常不匹配，這樣制約了整個通信系統(tǒng)的升級和更新換代。因此，為充分地實現數字化重構功能賦予現代通信系統(tǒng)的高度靈活性，作為射頻模塊硬件核心的可重構天線技

2、術成為迫切需要解決的問題。目前可重構天線領域的研究方向有如下幾方面：小型化、重構功能多樣化、瞬時寬帶重構、頻段大幅度重構等，而頻率可重構天線領域需要解決的主要問題是提高頻段重構范圍和拓展頻段的瞬時帶寬。本文通過對鈦酸鍶鋇材料和電磁超表面材料的調諧性能分析，探究了基于這些新型材料的天線頻率重構機制，設計并制備出輻射性能穩(wěn)定且調諧性能良好的天線單元樣品，實驗驗證了上述新型材料用于頻率重構天線，可提高天線中心頻率的重構范圍和拓展頻段的瞬時帶寬

3、。
　　鈦酸鍶鋇(Barium Strontium Titanate,BST)薄膜在GHz頻段調諧特性良好，介電損耗非常低，適于實現天線頻率的重構，但該材料介電常數較高，會造成很嚴重的電磁波阻抗不匹配，也會產生非常明顯的表面波效應，造成天線輻射效率過低。本文從電磁場的腔模理論出發(fā)，通過對理想饋電情況的合理近似，給出了較為準確的基于BST材料的天線頻率重構方程。同時，針對波阻抗失配問題，設計了縫隙耦合式的天線饋電結構，并進一步設計了

4、高通低阻微帶濾波器，降低了介質表面波和外加偏置電流對天線輻射的不利影響。基于上述理論研究，本文設計并制備了調諧幅度超過10％的頻率可重構天線樣品，其頻段內中心最大增益均大于6dB，調諧幅度不僅達到了基于傳統(tǒng)調諧方式的重構水平，且調諧潛力更大，輻射性能更加穩(wěn)定。
　　在前面頻率可重構天線研究工作的基礎上，針對可重構天線的瞬時帶寬過窄問題，本文提出并研究了縱向寄生耦合的頻段拓展模型，給出了該模型中心諧振頻率的設計公式，并通過在BST材

5、料上方加載獨立的FP腔，引入了額外的諧振頻段，且該頻段的中心頻率可隨BST介電常數的改變而同步移動。這樣一方面拓展了天線的瞬時帶寬，另一方面使得該瞬時帶寬也可以通過外加電場的控制進行重構調諧?；谏鲜鲅芯浚疚闹苽涑鏊矔r帶寬達到23%的頻率可重構天線單元樣品，遠大于其他可重構天線7%左右的瞬時帶寬，并且天線樣品的中心頻率依然能夠保持10%左右的調諧范圍。
　　通過對基于調諧材料的頻率可重構天線的研究和分析發(fā)現，大多數天線頻率重構均

6、依靠改變天線的有效電尺寸，即改變電磁波的波程，這一思路雖然可以實現在調諧范圍內的連續(xù)覆蓋，但是受限于基底材料的調諧能力，天線的重構范圍不可能實現大幅度的頻段跳越。針對這一瓶頸，本文提出了基于突變相位的天線頻率重構思路。同時，通過對超表面突變相位的研究，給出了透射突變相位的設計公式，設計出了特定透射功能的超表面結構，并在實驗上獲得了驗證。在此項工作的基礎上，我們探索并研究了基于理想突變相位的微帶天線頻率重構機制，給出了理想情況下基于突變相

7、位的微帶頻率重構公式，理論上設計出了能夠實現122%調諧幅度的可重構天線模型。
　　針對超表面結構無法嵌入微帶天線剖面的問題，本文采用了波導天線作為可重構的模型，研究了基于超表面相位突變的波導天線頻率重構機制。同時，通過對反射型超表面的設計，得到了特定反射相位色散的反射超表面結構。最后，利用不同反射面的切換實現了天線工作頻率的重構，理論和實驗結果均顯示，采用這一思路得到的可重構天線，其中心頻率可跳越式地改變，調諧范圍可達到26.7