作者：劉悅陽(yáng) 朱潤(rùn)澤 閆佳文 孫家陽(yáng) 精密儀器系
指導(dǎo)老師：李楊 精密儀器系
關(guān)鍵詞：零折射率 高方向性 微波天線(xiàn)
摘要
本項(xiàng)目基于一種寬帶零折射率超構(gòu)材料，實(shí)現(xiàn)多功能微波天線(xiàn)，該天線(xiàn)可作為一種高方向性探測(cè)天線(xiàn)。我們通過(guò)數(shù)值仿真軟件設(shè)計(jì)了一種等效折射率為零的超構(gòu)材料，該超構(gòu)材料在7.9-8GHz的頻帶內(nèi)具有近似為零的折射率。通過(guò)控制材料的面外輻射，我們能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)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(jié)果中，我們?cè)O(shè)計(jì)出了可彎折的零折射率微波天線(xiàn)以適應(yīng)無(wú)線(xiàn)基站、微波雷達(dá)等不同應(yīng)用場(chǎng)景?；诜抡妫覀冎谱鞒隽讼嗤某善?/p>
零折射率超構(gòu)材料
原理是基于香港大學(xué)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(dāng)超構(gòu)材料在特定頻率下，于布里淵區(qū)中心由于偶然三重簡(jiǎn)并產(chǎn)生狄拉克錐時(shí)，該晶體針對(duì)此波長(zhǎng)的等效折射率為零。由于其折射率近似為零，根據(jù)麥克斯韋方程組，波在超構(gòu)材料中的相速度為無(wú)窮大，即輸入波在零折射率頻段內(nèi)時(shí)，整個(gè)材料中都具有完全相同的相位，通過(guò)控制材料的面外輻射，我們能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)近似完美平面波的出射波
數(shù)值仿真與成品
在仿真結(jié)果中，我們?cè)O(shè)計(jì)出了可彎折的零折射率微波天線(xiàn)，使用了氧化鋁、氧化鋯、BST陶瓷三種物質(zhì)設(shè)計(jì)出了不同尺寸的零折射率超構(gòu)材料，對(duì)其進(jìn)行了方向性以及等效折射率的仿真模擬，其結(jié)果滿(mǎn)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(shù)（≈1000），大大減小了天線(xiàn)的體積和尺寸，且對(duì)天線(xiàn)性能無(wú)顯著影。當(dāng)使用薄金屬或具有金屬內(nèi)襯的柔性材料作為外殼時(shí)，該天線(xiàn)可以進(jìn)行彎折，以適應(yīng)不同需求。我們將其中一種設(shè)計(jì)制作成了成品。此天線(xiàn)的外形為一個(gè)245*185*30mm的扁平金屬方盒，外殼為鋁合金制成，頂部開(kāi)有5*5的圓孔，用于信號(hào)輻射。內(nèi)部為一個(gè)5*5的陶瓷圓柱陣列，材質(zhì)為99氧化鋁陶瓷，與金屬外殼相互配合連接。頂板一側(cè)開(kāi)有小孔，焊接有一個(gè)SMA接口，用于微波信號(hào)輸入，在TM極化條件下，可以成功講微波信號(hào)耦合進(jìn)陶瓷陣列中并向外輻射。
天線(xiàn)方向性仿真結(jié)果
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實(shí)際樣品
前景展望
可以預(yù)見(jiàn)，該種天線(xiàn)在民用通信和軍事探測(cè)領(lǐng)域都會(huì)有非常廣闊的應(yīng)用，尤其是在雷達(dá)探測(cè)、定向通信等領(lǐng)域，其高方向性遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于現(xiàn)有產(chǎn)品。除此之外，對(duì)于此類(lèi)超構(gòu)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(shù)的材料，繼續(xù)縮小天線(xiàn)的體積。這種設(shè)計(jì)可以隨通信頻率的更迭而不斷升級(jí)，可以滿(mǎn)足5G甚至是更遠(yuǎn)的未來(lái)的通信技術(shù)。
