基于人工电磁超材料的反射面天线设计.pdf

摘要

在电子信息通信技术快速发展的时代，频率资源使用日益紧张。通信技术从

使用短波、长波转向高频的微波毫米波。高频波段电磁波波长短，随传播距离衰

减快，为了实现有效通信，高增益是微波毫米波通信天线设计过程中追求的一个

重要指标。基于超材料的平面反射阵列天线同时具有相控阵天线易加工、波束可

控和抛物面天线馈电简单的特点，是一种具有应用价值的高增益、低成本、轻重

量的微波毫米波天线研究方向。但基于超材料设计的微带反射面阵列面临着两个

问题，（1）超材料单元本身带宽窄导致阵列带宽窄，（2）超材料单元尺寸小，双

频设计时贴片结构距离小导致互耦严重，因此本文针对这两个问题设计了两款适

用于不同频段的基于超材料的反射面阵列天线系统，主要研究内容如下：

（1）针对微带反射面天线带宽过窄的问题，结合FSS原理和多谐振原理设计

了一款适用于Ka全频段通信的宽带圆极化反射面阵列天线，选择四脊喇叭天线作

为空馈馈源实现了基于超表面的宽带圆极化反射面阵列天线系统。设计的阵列带

宽范围为18.65GHz-38.72GHz，达两倍频，相对带宽为69.97%，最高增益为

28.3dBi，3dB增益带宽为33.19%，Ka频段内轴比小于3dB，满足圆极化要求。

（2）针对双频设计互耦影响大和单层设计相位补偿范围不足的问题，选择改

良的Phonix单元与加载相位延长线法相结合设计了低耦合的单层嵌套双频反射面

单元，增加空气层结构扩展相移范围，并提供了一种局部镜像的阵列排列方式降

低了交叉极化。两个频段选用不同的波导喇叭天线进行馈电，得到双频反射面阵

列天线系统。X波段反射阵列最高增益为21.1dBi，3dB增益带宽为19.42%。Ku

波段反射阵列最高增益为32.44dBi，3dB增益带宽为5.3%。文中验证了设计的单

层嵌套双频结构具有较好的隔离度，能够在X波段和Ku波段独立工作且耦合影

响小。

（3）利用Matlab辅助反射面阵列天线的设计，快速计算阵列各个单元的补偿

相位，并驱动CST依据相位分布进行快速阵列排布，减小了阵列设计复杂度。

关键词：超材料，宽带，圆极化，高增益，双频

ABSTRACT

Intheeraofrapiddevelopmentofelectronicinformationandcommunication

technology,frequencyresourcesareheavilyoccupied.Communicationtechnologyfrom

theuseofshort-wave,long-wavetohigh-frequencymicrowavemillimeterwave.The

wavelengthofelectromagneticwavesinthehighfrequencybandisshortandattenuates

quicklywiththepropagationdistance,inordertorealizeeffectivecommunication,high

gainisanimportantindexpursuedinthedesignprocessofmicrowavemillimeterwave

communicationantenna.Theplanarreflectivearrayantennabasedonmetamaterialshas

thecharacteristicsofphasedarrayantennaeasyprocessing,beamcontrollableand

parabolicantennasimplefeedingatthesametime,whichisakindofmicrowave

millimeterwaveantennaresearchdirectionwithapplicationvalueofhighgain,lowcost

andlightweight.However,themicros