作者：劉悅陽 朱潤澤 閆佳文 孫家陽 精密儀器系
指導老師：李楊 精密儀器系
關鍵詞：零折射率 高方向性 微波天線
摘要
本項目基于一種寬帶零折射率超構材料，實現多功能微波天線，該天線可作為一種高方向性探測天線。我們通過數值仿真軟件設計了一種等效折射率為零的超構材料，該超構材料在7.9-8GHz的頻帶內具有近似為零的折射率。通過控制材料的面外輻射，我們能夠實現一個近似完美平面波的出射波，從而具備極佳的方向性。在仿真結果中，我們設計出了可彎折的零折射率微波天線以適應無線基站、微波雷達等不同應用場景。基于仿真，我們制作出了相同的成品
零折射率超構材料
原理是基于香港大學陳子亭教授在2011年指出的光子晶體等效零折射率衍生出的：當超構材料在特定頻率下，于布里淵區(qū)中心由于偶然三重簡并產生狄拉克錐時，該晶體針對此波長的等效折射率為零。由于其折射率近似為零，根據麥克斯韋方程組，波在超構材料中的相速度為無窮大，即輸入波在零折射率頻段內時，整個材料中都具有完全相同的相位，通過控制材料的面外輻射，我們能夠實現一個近似完美平面波的出射波
數值仿真與成品
在仿真結果中，我們設計出了可彎折的零折射率微波天線，使用了氧化鋁、氧化鋯、BST陶瓷三種物質設計出了不同尺寸的零折射率超構材料，對其進行了方向性以及等效折射率的仿真模擬，其結果滿足零折射和高方向性的要求。其中，BST陶瓷具有極高的介電常數（≈1000），大大減小了天線的體積和尺寸，且對天線性能無顯著影。當使用薄金屬或具有金屬內襯的柔性材料作為外殼時，該天線可以進行彎折，以適應不同需求。我們將其中一種設計制作成了成品。此天線的外形為一個245*185*30mm的扁平金屬方盒，外殼為鋁合金制成，頂部開有5*5的圓孔，用于信號輻射。內部為一個5*5的陶瓷圓柱陣列，材質為99氧化鋁陶瓷，與金屬外殼相互配合連接。頂板一側開有小孔，焊接有一個SMA接口，用于微波信號輸入，在TM極化條件下，可以成功講微波信號耦合進陶瓷陣列中并向外輻射。
天線方向性仿真結果
 |
實際樣品
前景展望
可以預見，該種天線在民用通信和軍事探測領域都會有非常廣闊的應用，尤其是在雷達探測、定向通信等領域，其高方向性遠遠強于現有產品。除此之外，對于此類超構材料，只需要等比改變其尺寸，即可改變其工作頻率，且可以利用更高介電常數的材料，繼續(xù)縮小天線的體積。這種設計可以隨通信頻率的更迭而不斷升級，可以滿足5G甚至是更遠的未來的通信技術。
