牛兵建-基于复合左右手传输线的宽带高效率天线研究课件

研究生学位论文答辩基于复合左右手传输线

的宽带高效率天线研究学生：牛兵建导师：冯全源教授专业：通信与信息系统2014.05.17主要内容绪论1基于ENG传输线的双频融合宽带天线设计4基于ENG传输线的宽带双频天线设计3基于CRLH传输线的宽带高效率天线设计5复合左右手传输线及电小天线理论21.绪论1.绪论超材料：Acompositeorstructuredmaterialthatexhibitspropertiesnotfoundinnaturallyoccurringmaterialsorcompounds.左手材料复合左右手传输线光子晶体磁性材料金属铁磁体手性媒质铁媒质线颗粒媒质V.G.VeselagoD.R.SmithG.V.EleftheriadesT.ItohE.YabnolovitchS.John1.绪论超材料的奇异特性：负折射效应（NegativeRefractionIndex）、逆契伦科夫辐射（ReversedCerenkovRadiation）、逆多普勒效应（ReversedDopplerEffect）、完美透镜效应和相位补偿特性等。常规材料左手材料相位补偿特性左手材料常规材料负折射效应1.绪论超材料在天线中的应用：1.利用左手材料构造亚波长谐振器，从而实现天线的小型化；2.利用折射率为负和零的特性，改善天线的定向辐射；4.利用相位补偿特性，提高天线的辐射效率。利用左手材料提高电小天线的辐射效率目前面临的技术难点：1.普遍面临着带宽窄和效率低下的问题，限制了它们在现代无线通信系统中的应用；2.因此开展宽带高效率天线的研究，具有重要的研究价值；2.复合左右手传输线理论CRLH传输线：右手传输线左手传输线CRLH传输线2.复合左右手传输线CRLH传输线的三种实现类型：DNGENGMNG2.复合左右手传输线零阶谐振器原理可调谐及带宽拓展技术：终端开路的ENG传输线谐振频率：相对带宽：由此可以看出，ZOR的谐振频率和带宽仅与单元模型的LL和CR有关，与单元结构的物理尺寸无关。这意味着ZOR天线可以非常小。2.天线小尺寸、宽频带与辐射效率的矛盾尺寸与带宽天线尺寸减小，使得带宽减小尺寸与辐射效率天线尺寸减小，使得增益和效率降低天线设计过程中应折中考虑尺寸、带宽与效率的关系难点：在保持天线小尺寸的同时，如何获得宽带和高效率特性带宽与辐射效率

天线带宽增大，使得效率降低3.基于ENG传输线的宽带双频天线非对称共面波导传输线设计：与CPW相比，信号线与两侧金属地板之间的缝隙宽度是不相同的，ACPW增加了额外的设计变量，使其具有更广泛的设计灵活性。该传输线具有简单紧凑、无过孔、易于集成、损耗低和电抗参数易调节等优点。开展基于ACPW馈电的超材料天线研究具有重要的意义。ACPW传输线的物理尺寸参数（单位:mm）LWwfg1g222506.320.63.基于ENG传输线的宽带双频天线天线结构天线结构主要由信号贴片、ACPW金属板和短路弯折线等三部分组成。ACPW结构提供了很大的设计自由度和广泛的优化空间，易于改变电抗参数，以实现宽带双频特性。该天线具有简单紧凑、易于集成、加工方便和成本低等优点。3.基于ENG传输线的宽带双频天线ZOR模式表面电流分布3.基于ENG传输线的宽带双频天线天线测试环境：AgilentnetworkanalyzerE5071CEManechoicchamberSEMA-1B3.基于ENG传输线的宽带双频天线增益与效率众所周知，天线的效率主要受介质损耗的影响。事实上，在该天线中，由于较大的缝隙宽度，导致电磁场很少束缚在介质内而辐射到空气中，因此介质损耗对天线的效率影响并不大。ZOR模式：1.50dBi-1.94dBi，84.31%-92.09%FOR模式：1.99dBi-3.03dBi，74.83%-88.02%3.基于ENG传输线的宽带双频天线辐射特性：结果表明，实测与仿真结果吻合较好，在E面具有良好的全向辐射特性；在H面具有哑铃状双向辐射方向图。4.基于ENG传输线的双频融合宽带高效率天线零阶和一阶谐振融合的宽带高天线设计方法

单一超材料天线的工作频带通常比较窄利用ZOR和FOR带宽拓展技术，同时拓宽其谐振带宽调节电抗参数，使ZOR和FOR相互靠近，融合在一个带宽，以实现超材料天线的宽频带特性4.基于ENG传输线的双频融合宽带高效率天线天线结构基于ACPW和CPW馈电的两款宽带超材料天线天线结构主要由信号贴片、ACPW金属板和短路弯折线等三部分组成。该天线具有无通孔、成本低、加工方便和简单紧凑等优点。4.基于ENG传输线的双频融合宽带高效率天线阻抗特性这两款天线在E面均具有良好的全向辐射特性；在H面具有哑铃状双向辐射方向图。由于激发传输线的偶模电流，更多的电磁场辐射到空气中，改善了天线的辐射性能。它们不仅实现了小型化和宽频率特性，还保持了较高的效率及全向性辐射。5.基于CRLH传输线的宽带高效率天线带宽拓展技术：传统的超材料天线能够实现小型化，却一直面临带宽窄的缺点，开展宽带高效率天线的研究，有助于促进超材料天线技术的发展。1.超材料与单极性相结合的技术充分发挥单极性天线的宽频带和超材料天线的小型化等优势，并将两者的谐振频率融合在一个频段里。2.频率可调谐技术重构天线工作状态，实现谐振频率连续可调，从而能够覆盖多个不同频段。3.多谐振结构技术采用多个电流路径形成多个谐振结构，获得多个谐振频率。4.多频融合技术不改变天线尺寸的情况下，仅通过改变电抗参数，通过融合多个相邻的谐振模式，以实现天线的宽频带特性。5.基于CRLH传输线的宽带高效率天线新型不对称CRLH传输线的单元：

电流沿中心信号线流动寄生右手串联电感LR；交指电容构成左手串联电容CL；左手并联电感LL由连接在中心信号线和ACPW地板之间的短路弯折线构成；缝隙电容构成左手并联电容CR;pwg1l1l2l3d1d2S1S256.32.541.84.60.30.30.30.35.基于CRLH传输线的宽带高效率天线天线性能测试ZOR和FPOR的谐振频率为2.36GHz和3.3GHz，在低频段的两个谐振点分别为负一阶谐振（FNOR）和负二阶谐振（SNOR）。天线能够工作在2.1GHz-3.82GHz频段内，阻抗带宽达到了1720MHz，相对带宽为58.1%。实测的增益在1.31dBi-3.49dBi范围内变化，其对应的实测效率在63.8%-78.46%范围内变化。该天线具有简单紧凑、无集总元件、较宽的带宽、较高的效率和全向性辐射等优点，能够应用于LTE2300/2500、WLAN和WiMAX。主要工作1.详细分析ENG传输线构成的零阶谐振器（ZOR）和一阶谐振器(FOR)的品质因数和相对带宽等参数。从理论上推导出了FOR的带宽计算公式，提出了ZOR和FOR的带宽拓展技术。2.提出将不对称共面波导结构应用于ENG传输线。设计了一款基于零阶谐振器和一阶谐振器的宽带双频高效率天线。零阶谐振频率的实测辐射效率高达92.09%。3.提出通过设计非对称的天线结构，激发传输线的奇模电流，以改善辐射效率。设计了两款基于不同馈电结构的宽带高效率天线。实测结果表明，它们不仅实现了小型化和宽频带特性，还保持了高的效率及全向性辐射。4.系统总结了目前天线带宽拓展技术。设计了一款双频融合的宽带高效率天线，与同类型研究成果对比可知，该天线具有简单紧凑、无集总元件、较宽的工作带宽以及全向性辐射等优点。未来的工作2013年12月，工信部正式向三大运营商发放4G牌照，标志着LTE网络进入商用阶段；MIMO天线系统能够有效地抑制快衰落，成倍地提高通信容量。UWB天线覆盖3.1-10.6GHz,应用于WLAN、WBAN和认知无线电。设计高隔离度MIMO天线系统，具有广泛的应用价值。超材料与MIMO天线未来的工作超材料与MIMO天线已发表的期刊论文1.Bing-Jian

Niu,Quan-YuanFeng,andPan-LinShu,“EpsilonNegativeZeroth-andFirst-OrderResonantAntennaswithExtendedBandwidthandHighEfficiency”,AntennasandPropagation,IEEETransactionson,vol.61,no.12,pp.5878-5884,Dec.2013(SCIIndexed:0004,SCI二区)2.Bing-Jian

Niu,Quan-YuanFeng,“Bandwidthenhancementofasymmetriccoplanarwaveguide(ACPW)-fedantennabasedoncompositeright/left-handedtransmissionline,”AntennasandWirelessPropagationLetters,IEEE,vol.12,pp.563-566,2013.(SCIIndexed:0001,SCI三区)3.Bing-Jian

Niu,Quan-YuanFeng,“BandwidthEnhancementofCPW-FedAntennaBasedonEpsilonNegativeZeroth-andFirst-OrderResonators”,AntennasandWirelessPropagationLetters,IEEE,vol.12,pp.1125-1128,2013.(SCIIndexed:0007,SCI三区)4.Bing-Jian

Niu,Quan-YuanFeng,“Anovelbroadbandasymmetriccoplanarwaveguide(acpw)-fedzeroth-orderresonatorantennabasedonepsilonnegativetransmissionline,”ProgressinElec