人工电磁材料结构在微波天线中的应用研究

在军业、民用等领域中天线都是十分重要的器件, 最常见的应用像手机和电视等, 在人们的工作和生活中占据着十分重要的位置。大部分电子设备都依靠天线性能来完成运行, 天线辐射性能的好坏受到天线远近和场分布的影响, 保持天线近距离, 能够让天线获得更优的性能。另外, 人工电磁材料由于具有明显的电磁特性, 能够给天线性能优化带来积极作用。

一、单孔型人工电磁材料的应用

(一) 微带天线中的应用

微带天线主要是由介质基板、导体贴片以及金属接地板构成, 导体贴片有很多种形状, 如方形、圆形等。微带天线一般使用同轴电缆线或者是微带线进行馈电。在导体贴片和金属接地板中存在辐射电磁场, 通过两者之间的缝隙逐渐向外进行辐射。介质基本在厚度上远小于天线波长, 微带天线实现微型化天线设计, 更有利于集成。通过利用模型理论估算出天线辐射贴片尺寸, 展开仿真分析, 从而得出天线尺寸以及馈电位置。例如:在天线周围围绕一定周期的人工电磁材料, 两者要保持一定距离。利用HFSS软件对普通微带软件和应用人工电磁材料的微带天线进行仿真分析。根据分析结果可以了解到, SⅡ小于-10d B的时候, 普通带宽能够达到5.3GHz到5.85GHz范围中, 应用人工电磁材料的微带天线带宽处于5.5GHz到5.75GHz范围内, 由此可见应用人工电磁材料的微带天线具有着一定的优势。

(二) 蝴蝶天线中的应用

应用人工电磁材料的蝴蝶天线和微带天线有明显的不同, 蝴蝶天线是全向性天线, 在加载人工电磁材料的时候要进行修正[1]。在蝴蝶天线中使用人工电磁材料替代金属接地板。使用软件进行蝴蝶天线的仿真分析, 经过和未加人工电磁材料的对比, 可以发现加载人工电磁材料的蝴蝶天线具有更良好的匹配性能, 回波系数也更优。应用人工电磁材料的蝴蝶天线工作频率趋近5.8GHz, 当SⅡ小于-10d B的时候, 带宽的范围能够达到5.4GHz到6.3GHz, 比普通的带宽要增长了5%左右。应用人工电磁材料也增加了天线增益, 提高了1d B幅度左右。

二、多孔型人工电磁材料的应用

在微带天线中应用一定数量的人工电磁材料, 使用微带线馈电在贴片天线中, 侧馈点处于中心点上[2]。在中间放置贴片天线, 多孔型人工电磁材料应用在天线中所产生的带隙能够消除表面波, 让微带天线在辐射方向上得到良好的改善。然后将普通天线和应用多孔型人工电磁材料的天线展开仿真实验。不难发现, 普通微带天线匹配程度更差, 当SⅡ小于-10d B的时候, 普通天线带宽处于5.75GHz到5.85GHz之间, 加载人工电磁材料的带宽为5.3GHz到5.6GHz范围中, 介质基板不断增大, 谐振频率产生了明显的偏移。人工电磁材料的应用改善了天线的多种性能, 多孔型人工电磁材料的应用增益提高了0.5d B。

三、复合型人工电磁材料的应用

(一) 波导缝隙天线的应用

在波导缝隙天线中应用一定数量的人工电磁材料, 两者保持一定的距离, 金属接地板的长度要和波导保持一致。经过仿真实验可以明显看到应用符合人工电磁材料的天线的优势, 波导天线具有更高的匹配度, 回波系数也更低, 当SⅡ小于-10d B的时候, 带宽是720MHz, 带宽约为未加人工电磁材料的两倍。由于人工电磁材料的存在, 让天线内部耦合作用得到抑制, 更限制了表面波的传播, 并增加了0.14d B。增益幅度小的原因是符合人工电磁材料数量少, 在实物中需要充分考虑这一因素。

(二) 单脊波导缝隙天线

在脊波缝隙天线周围使用一定的复合人工电磁材料, 保证两者之间的距离, 保证金属接地板和波长在长度上的一致。通过对添加复合人工电磁材料和未添加的仿真实验对比, 可以发现未添加的天线匹配性能更好, 而加载人工电磁材料的天线带宽更有优势。当SⅡ小于-10d B的时候, 带宽的范围处于9.5GHz到10.2GHz范围之中, 相对带宽被直接提高了50%左右。由于脊波导结构特殊性和复合人工电磁材料发生了耦合作用, 让天线工作频率出现了偏移, 在实物中要考虑到这一点。

四、结论

综上所述, 本文首先分析了单孔型人工电磁材料的应用, 主要是分析了微带天线以及蝴蝶天线中的应用。然后研究了多孔型人工电磁材料的应用, 最后研究了复合型人工电磁材料的应用, 分析了其在波导缝隙天线和单脊波导缝隙天线中的应用。无论是单孔型、多孔型, 还是复合型人工电磁材料, 都有利于天线质量的提高, 都能增加带宽和增益, 提升天线整体应用性能, 得到更广泛的应用。

摘要：随着电子技术的发展, 微波天线在使用过程中受到频带窄、性能差和增益低问题的困扰, 将人工电磁材料应用其中无疑是一项有效策略。基于此, 本文从单孔型人工电磁材料、多孔型人工电磁材料以及复合型人工电磁材料三个方面分析了在微波天线中的应用。

关键词：人工电磁材料,微波天线,带宽,增益

参考文献

[1] 元军.介质基人工电磁表面的设计与应用研究[D].杭州:浙江大学, 2017.

[2] 徐健.人工电磁结构材料的磁性质研究与应用[D].南京:南京邮电大学, 2017.