基于人工磁導(dǎo)體的低剖面偶極子天線設(shè)計與性能優(yōu)化研究一、引言1.1研究背景與意義在當(dāng)今信息時代，通信技術(shù)以前所未有的速度蓬勃發(fā)展，從早期的模擬通信到如今廣泛普及的5G通信，乃至對6G等未來通信技術(shù)的探索，每一次的技術(shù)革新都深刻地改變著人們的生活與社會的發(fā)展模式。作為無線通信系統(tǒng)中不可或缺的關(guān)鍵部件，天線承擔(dān)著發(fā)射和接收電磁波的重要使命，其性能的優(yōu)劣對整個通信系統(tǒng)的質(zhì)量和效率起著決定性作用。隨著通信技術(shù)向高頻段、大容量、多功能方向的持續(xù)邁進(jìn)，對天線性能提出了更為嚴(yán)苛的要求。在眾多性能指標(biāo)中，低剖面特性、寬頻帶特性、高增益特性以及良好的輻射方向圖特性等成為了現(xiàn)代天線設(shè)計追求的重要目標(biāo)。低剖面偶極子天線由于其自身的結(jié)構(gòu)和電磁特性，在滿足現(xiàn)代通信需求方面展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢，因而受到了廣泛的關(guān)注和深入的研究。從結(jié)構(gòu)角度來看，低剖面偶極子天線具有高度低、體積小的顯著特點(diǎn)，這使得它能夠輕松適應(yīng)各種對空間尺寸有嚴(yán)格限制的應(yīng)用場景，例如便攜式移動設(shè)備、衛(wèi)星通信終端以及無人機(jī)等。在便攜式移動設(shè)備中，如智能手機(jī)、平板電腦等，內(nèi)部空間極為有限，低剖面偶極子天線可以在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效的通信功能，為設(shè)備的輕薄化設(shè)計提供了有力支持；在衛(wèi)星通信終端中，低剖面天線不僅可以減少衛(wèi)星的風(fēng)阻和體積，還能降低發(fā)射成本，提高衛(wèi)星的整體性能；在無人機(jī)領(lǐng)域，低剖面天線可以降低無人機(jī)的空氣阻力，提高飛行效率和穩(wěn)定性。從電磁特性方面分析，偶極子天線本身具備結(jié)構(gòu)簡單、易于制造和饋電的優(yōu)點(diǎn)，其輻射特性較為穩(wěn)定，能夠在一定程度上滿足通信系統(tǒng)對信號傳輸?shù)囊蟆Ｈ欢?，傳統(tǒng)的偶極子天線在剖面高度上往往較大，這在一些對天線尺寸有嚴(yán)格限制的應(yīng)用場景中成為了阻礙其廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素。因此，設(shè)計低剖面的偶極子天線成為了天線領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。人工磁導(dǎo)體（ArtificialMagneticConductor，AMC）作為一種新型的人工電磁材料，近年來在天線設(shè)計領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和深入的研究。AMC具有獨(dú)特的電磁特性，它能夠?qū)θ肷潆姶挪▽?shí)現(xiàn)同相反射，這一特性與傳統(tǒng)的理想電導(dǎo)體（PEC）對電磁波的180°反射相位特性截然不同。正是由于這種特殊的同相反射特性，AMC在天線設(shè)計中展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。當(dāng)將AMC應(yīng)用于低剖面偶極子天線設(shè)計時，可以有效地降低天線的剖面高度。其原理在于，AMC可以改變天線周圍的電磁場分布，使得天線在較低的高度下仍能保持良好的輻射性能。例如，通過在偶極子天線下方放置AMC結(jié)構(gòu)，可以減小天線與接地板之間的距離，從而降低天線的整體高度，同時還能保證天線的輻射方向圖和增益等性能指標(biāo)不受明顯影響。此外，AMC還能夠提高天線的輻射效率。由于AMC可以減少天線與周圍環(huán)境之間的電磁耦合損耗，使得天線能夠更有效地將輸入的電磁能量輻射出去，從而提高了天線的輻射效率。這對于提高通信系統(tǒng)的信號傳輸質(zhì)量和覆蓋范圍具有重要意義。在一些需要長距離通信或信號覆蓋范圍廣的應(yīng)用場景中，如移動通信基站、衛(wèi)星通信等，提高天線的輻射效率可以有效地增強(qiáng)信號強(qiáng)度，減少信號衰減，提高通信質(zhì)量。綜上所述，開展基于人工磁導(dǎo)體的低剖面偶極子天線設(shè)計的研究具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價值。在理論層面，深入研究AMC與低剖面偶極子天線的相互作用機(jī)制，有助于進(jìn)一步完善天線理論體系，為新型天線的設(shè)計提供更加堅實(shí)的理論基礎(chǔ)。在實(shí)際應(yīng)用方面，這種天線設(shè)計可以滿足現(xiàn)代通信技術(shù)對天線性能的嚴(yán)格要求，為5G、6G等通信系統(tǒng)以及衛(wèi)星通信、雷達(dá)探測、物聯(lián)網(wǎng)等眾多領(lǐng)域提供高性能的天線解決方案，推動相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用拓展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在國外，對基于人工磁導(dǎo)體的低剖面偶極子天線設(shè)計的研究起步較早。早在20世紀(jì)80年代初期，R.C.Hansen就利用鐵氧體的高磁導(dǎo)率設(shè)計出一種能將平面波反射為準(zhǔn)直波的結(jié)構(gòu)，這為人工磁導(dǎo)體的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1995年，A.Sanada將人工磁導(dǎo)體應(yīng)用到天線中，提出了AMC天線的概念，并在2005年發(fā)表綜述論文，使得AMC天線受到更大關(guān)注。此后，眾多學(xué)者圍繞此展開深入研究。例如，有研究利用人工磁導(dǎo)體的表面波帶隙特性，有效降低微帶天線的背瓣輻射，提高天線增益，降低天線陣元之間的互耦，改善了輻射性能。在偶極子天線方面，有學(xué)者通過將人工磁導(dǎo)體應(yīng)用于交叉偶極子圓極化天線，使用L形縫隙結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)寬帶圓極化效果，但存在最大輻射方向偏離軸向、整體剖面較高影響天線組裝與集成等問題。國內(nèi)對基于人工磁導(dǎo)體的低剖面偶極子天線設(shè)計的研究也取得了顯著進(jìn)展。有研究通過在傳統(tǒng)雙面印刷圓形偶極子天線基礎(chǔ)上，引入環(huán)形縫隙和‘L’型槽，并采用新穎的6×6AMC陣列作為反射板，實(shí)現(xiàn)了天線的雙頻段寬帶特性以及低剖面，使天線在工作范圍內(nèi)具有更穩(wěn)定的增益性能，該天線結(jié)構(gòu)簡單，能應(yīng)用于室內(nèi)外5G通信系統(tǒng)。還有研究設(shè)計出使用人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的寬帶低剖面交叉偶極子圓極化天線，通過引入寄生加載梯形貼片增加電流路徑以拓展阻抗帶寬和3dB軸比帶寬，引入波浪形弧線延長相位延遲線電流路徑來拓寬阻抗帶寬，引入人工磁導(dǎo)體超表面結(jié)構(gòu)替代金屬反射板，在保證較寬阻抗帶寬和3dB軸比帶寬的同時降低了天線剖面。然而，當(dāng)前國內(nèi)外的研究仍存在一些不足之處。一方面，雖然在降低天線剖面高度方面取得了一定成果，但部分天線的帶寬仍較窄，難以滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)對寬頻帶的需求。例如一些基于人工磁導(dǎo)體的偶極子天線，雖然實(shí)現(xiàn)了低剖面，但其阻抗帶寬和圓極化帶寬相對較窄，限制了其在多頻段通信中的應(yīng)用。另一方面，在復(fù)雜電磁環(huán)境下，天線的性能穩(wěn)定性還有待提高。實(shí)際應(yīng)用中，天線會受到多徑效應(yīng)、同頻干擾、鄰頻干擾等多種因素影響，現(xiàn)有的天線設(shè)計在應(yīng)對這些復(fù)雜情況時，其輻射特性、增益等性能指標(biāo)可能會出現(xiàn)波動，影響通信質(zhì)量。此外，對于人工磁導(dǎo)體與偶極子天線的協(xié)同優(yōu)化設(shè)計，目前的研究還不夠深入，如何進(jìn)一步挖掘兩者的潛力，實(shí)現(xiàn)天線性能的全面提升，仍是需要解決的問題。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在設(shè)計一種基于人工磁導(dǎo)體的低剖面偶極子天線，通過深入研究人工磁導(dǎo)體的電磁特性以及與偶極子天線的協(xié)同工作機(jī)制，優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)和參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)天線在剖面高度、帶寬、增益和輻射方向圖等多方面性能的綜合提升，滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)對高性能天線的需求。具體研究內(nèi)容如下：人工磁導(dǎo)體原理及特性研究：深入剖析人工磁導(dǎo)體的基本原理，包括其對電磁波的同相反射機(jī)制、表面波帶隙特性等。詳細(xì)研究不同結(jié)構(gòu)的人工磁導(dǎo)體，如周期性結(jié)構(gòu)、非周期性結(jié)構(gòu)等，分析其電磁參數(shù)，如反射相位、阻抗等，探討這些參數(shù)對天線性能的影響規(guī)律。通過理論分析和數(shù)值仿真，建立人工磁導(dǎo)體電磁特性的數(shù)學(xué)模型，為后續(xù)天線設(shè)計提供理論依據(jù)。低剖面偶極子天線結(jié)構(gòu)設(shè)計：基于人工磁導(dǎo)體的特性，設(shè)計新型的低剖面偶極子天線結(jié)構(gòu)?？紤]在偶極子天線下方合理布置人工磁導(dǎo)體，以降低天線的剖面高度，同時保證天線的輻射性能。探索不同的天線結(jié)構(gòu)形式，如單極子-偶極子結(jié)構(gòu)、交叉偶極子結(jié)構(gòu)等，分析其在引入人工磁導(dǎo)體后的性能變化。研究天線的饋電方式，如同軸饋電、微帶線饋電等，優(yōu)化饋電結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配，提高天線的輸入效率。天線性能分析與優(yōu)化：運(yùn)用電磁仿真軟件，對設(shè)計的天線進(jìn)行全面的性能分析，包括天線的回波損耗、阻抗帶寬、增益、輻射方向圖、軸比等參數(shù)。通過改變天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)和人工磁導(dǎo)體的參數(shù)，如天線尺寸、介質(zhì)材料、人工磁導(dǎo)體單元尺寸和排列方式等，觀察天線性能的變化趨勢，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。針對實(shí)際應(yīng)用中可能遇到的復(fù)雜電磁環(huán)境，如多徑效應(yīng)、同頻干擾等，研究天線在這些環(huán)境下的性能穩(wěn)定性，提出相應(yīng)的優(yōu)化措施，如采用抗干擾結(jié)構(gòu)、優(yōu)化輻射方向圖等，以提高天線在復(fù)雜環(huán)境下的通信質(zhì)量。天線制作與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：根據(jù)優(yōu)化后的設(shè)計方案，制作基于人工磁導(dǎo)體的低剖面偶極子天線實(shí)物。搭建實(shí)驗(yàn)測試平臺，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、天線測試暗室等設(shè)備，對天線的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行實(shí)際測量。將實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果與仿真分析結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證設(shè)計方案的正確性和有效性。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果之間的差異，找出可能存在的問題，如制作工藝誤差、測量誤差等，對設(shè)計方案進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)和完善。1.4研究方法與技術(shù)路線本研究綜合采用理論分析、數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證三種方法，從多個維度深入探究基于人工磁導(dǎo)體的低剖面偶極子天線設(shè)計，確保研究的科學(xué)性、準(zhǔn)確性和可靠性，具體技術(shù)路線如下：理論分析：深入研究電磁學(xué)基本理論，如麥克斯韋方程組、波動方程等，為理解人工磁導(dǎo)體和偶極子天線的電磁特性奠定基礎(chǔ)。根據(jù)人工磁導(dǎo)體對電磁波的同相反射原理，建立其電磁特性的數(shù)學(xué)模型，分析反射相位、阻抗等參數(shù)與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。運(yùn)用傳輸線理論、天線輻射理論等，研究低剖面偶極子天線的工作原理，包括天線的輻射機(jī)制、阻抗匹配原理以及不同結(jié)構(gòu)形式對偶極子天線性能的影響，為天線結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù)。數(shù)值仿真：選用專業(yè)的電磁仿真軟件，如CSTMicrowaveStudio、HFSS等，建立基于人工磁導(dǎo)體的低剖面偶極子天線的三維模型。精確設(shè)置模型的各項(xiàng)參數(shù)，包括材料屬性（如介電常數(shù)、磁導(dǎo)率等）、幾何尺寸（天線的長度、寬度、高度，人工磁導(dǎo)體單元的尺寸和排列間距等）以及邊界條件（如理想電導(dǎo)體邊界、輻射邊界等）。利用仿真軟件對天線的回波損耗、阻抗帶寬、增益、輻射方向圖、軸比等性能參數(shù)進(jìn)行全面仿真分析。通過參數(shù)掃描，系統(tǒng)研究不同參數(shù)變化對天線性能的影響規(guī)律，如改變天線的尺寸觀察回波損耗和阻抗帶寬的變化，調(diào)整人工磁導(dǎo)體單元的排列方式分析輻射方向圖的改變等。根據(jù)仿真結(jié)果，優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)和參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)天線性能的提升。例如，通過多次仿真對比，確定最佳的天線尺寸、介質(zhì)材料以及人工磁導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)和排列方式，使天線在滿足低剖面要求的同時，具備較寬的帶寬、較高的增益和良好的輻射方向圖。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：根據(jù)優(yōu)化后的仿真模型，制作基于人工磁導(dǎo)體的低剖面偶極子天線實(shí)物。選用合適的材料和制作工藝，確保天線的尺寸精度和性能質(zhì)量，如采用高精度的印刷電路板（PCB）制作工藝來加工天線和人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。搭建實(shí)驗(yàn)測試平臺，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量天線的回波損耗和阻抗帶寬，利用天線測試暗室測量天線的增益、輻射方向圖和軸比等參數(shù)。將實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果與仿真分析結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)對比，驗(yàn)證設(shè)計方案的正確性和有效性。如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果存在差異，深入分析原因，如制作工藝誤差（線路的寬度偏差、介質(zhì)板的厚度誤差等）、測量誤差（測量儀器的精度、測量環(huán)境的干擾等）以及理論模型的不完善等，針對問題對設(shè)計方案進(jìn)行改進(jìn)和完善。二、相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1偶極子天線原理與特性2.1.1偶極子天線工作原理偶極子天線作為一種基礎(chǔ)且重要的天線形式，其工作原理基于電磁學(xué)的基本理論，與麥克斯韋方程組所描述的電磁場變化規(guī)律緊密相關(guān)。從本質(zhì)上講，偶極子天線是一種將電信號轉(zhuǎn)化為電磁波進(jìn)行輻射，或者將接收到的電磁波轉(zhuǎn)化為電信號的裝置，在無線通信系統(tǒng)中承擔(dān)著不可或缺的信號傳輸角色。當(dāng)電信號饋入偶極子天線時，信號源在天線的兩個導(dǎo)體臂之間建立起電場。根據(jù)麥克斯韋方程組中的安培定律，變化的電場會產(chǎn)生磁場，于是在導(dǎo)體臂周圍便形成了閉合的磁力線，進(jìn)而產(chǎn)生磁場。在這個過程中，導(dǎo)體臂中的電子在電場的作用下開始定向移動，形成電流。隨著電信號的不斷變化，電流的大小和方向也在持續(xù)改變。這種時變電流會在其周圍空間激發(fā)時變磁場，而時變磁場又會根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在其周圍空間激發(fā)時變電場。如此循環(huán)往復(fù)，電場和磁場相互激發(fā)，形成了電磁波，并以光速向周圍空間傳播出去。以最簡單的半波偶極子天線為例，其總長度為半個波長（\lambda/2），由兩根長度各為四分之一波長（\lambda/4）的導(dǎo)體組成。當(dāng)電信號饋入半波偶極子天線的中心饋電點(diǎn)時，電流在導(dǎo)體臂上的分布呈現(xiàn)出特定的規(guī)律。在導(dǎo)體臂的中心位置，電流達(dá)到最大值，而在導(dǎo)體臂的兩端，電流則為零。這是因?yàn)樵谥行酿侂婞c(diǎn)處，電場強(qiáng)度最強(qiáng)，電子受到的驅(qū)動力最大，所以電流最大；而在導(dǎo)體臂的兩端，由于電荷的積累和電場的相互作用，電流逐漸減小至零。這種電流分布決定了半波偶極子天線的輻射特性。由于電流在導(dǎo)體臂上的非均勻分布，使得天線在不同方向上的輻射強(qiáng)度也不同，從而形成了特定的輻射方向圖。在垂直于偶極子天線軸線的方向上，輻射強(qiáng)度最強(qiáng)，而在沿軸線方向上，輻射強(qiáng)度為零。當(dāng)偶極子天線用于接收信號時，其工作過程則是發(fā)射過程的逆過程。外界的電磁波入射到偶極子天線上，在天線的導(dǎo)體臂上感應(yīng)出電動勢。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，變化的磁場會在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，使得導(dǎo)體中的電子在電動勢的作用下定向移動，從而形成電流。這個電流攜帶了電磁波所包含的信息，通過與天線相連的電路傳輸?shù)胶罄m(xù)的信號處理設(shè)備中，完成信號的接收和處理。例如，在收音機(jī)中，偶極子天線接收廣播電臺發(fā)射的電磁波，將其轉(zhuǎn)化為電信號，然后經(jīng)過收音機(jī)內(nèi)部的放大、解調(diào)等電路處理，最終還原出聲音信號，供用戶收聽。2.1.2低剖面偶極子天線特點(diǎn)低剖面偶極子天線在結(jié)構(gòu)、輻射特性以及實(shí)際應(yīng)用等方面展現(xiàn)出一系列獨(dú)特的特點(diǎn)，使其在現(xiàn)代通信技術(shù)中具有重要的應(yīng)用價值。從結(jié)構(gòu)角度來看，低剖面偶極子天線的最顯著特征是其剖面高度較低。傳統(tǒng)的偶極子天線通常具有較大的剖面高度，這在一些對空間尺寸有嚴(yán)格限制的應(yīng)用場景中成為了阻礙其應(yīng)用的關(guān)鍵因素。而低剖面偶極子天線通過采用特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選擇，有效地降低了自身的剖面高度。例如，通過在偶極子天線下方引入人工磁導(dǎo)體（AMC）結(jié)構(gòu)，利用AMC對電磁波的同相反射特性，可以減小天線與接地板之間的距離，從而降低天線的整體高度。此外，低剖面偶極子天線的結(jié)構(gòu)往往更加緊湊，占用空間小，這使得它能夠輕松適應(yīng)各種對空間要求苛刻的應(yīng)用環(huán)境，如便攜式移動設(shè)備、衛(wèi)星通信終端以及無人機(jī)等。在便攜式移動設(shè)備中，如智能手機(jī)、平板電腦等，內(nèi)部空間極為有限，低剖面偶極子天線可以在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效的通信功能，為設(shè)備的輕薄化設(shè)計提供了有力支持；在衛(wèi)星通信終端中，低剖面天線不僅可以減少衛(wèi)星的風(fēng)阻和體積，還能降低發(fā)射成本，提高衛(wèi)星的整體性能；在無人機(jī)領(lǐng)域，低剖面天線可以降低無人機(jī)的空氣阻力，提高飛行效率和穩(wěn)定性。在輻射特性方面，低剖面偶極子天線雖然降低了剖面高度，但通過合理的設(shè)計，仍能保持較好的輻射性能。與傳統(tǒng)偶極子天線相比，低剖面偶極子天線的輻射方向圖可能會發(fā)生一些變化。由于剖面高度的降低，天線的垂直方向輻射特性可能會受到一定影響，但通過優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)和參數(shù)，可以在水平方向上保持較好的輻射性能，滿足大多數(shù)通信場景的需求。例如，通過調(diào)整偶極子天線的形狀、尺寸以及與人工磁導(dǎo)體的相對位置，可以有效地控制天線的輻射方向圖，使其在水平方向上具有較寬的覆蓋范圍，同時減小垂直方向上的不必要輻射，提高天線的輻射效率。此外，低剖面偶極子天線的增益也可以通過一些技術(shù)手段得到提升。例如，采用高增益的輻射單元、優(yōu)化天線的饋電結(jié)構(gòu)以及利用人工磁導(dǎo)體的特性來增強(qiáng)天線的輻射能力等，都可以在一定程度上提高低剖面偶極子天線的增益。低剖面偶極子天線在實(shí)際應(yīng)用中還具有良好的兼容性和適應(yīng)性。它可以與各種通信系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行集成，不會對原有系統(tǒng)的性能產(chǎn)生較大影響。同時，由于其低剖面的特點(diǎn)，在一些對天線外觀有要求的場合，如室內(nèi)通信設(shè)備、智能家居產(chǎn)品等，低剖面偶極子天線可以更好地融入周圍環(huán)境，不影響整體美觀。此外，低剖面偶極子天線的制作工藝相對簡單，成本較低，這使得它在大規(guī)模應(yīng)用中具有較高的性價比，有利于推廣和普及。2.2人工磁導(dǎo)體原理與結(jié)構(gòu)2.2.1人工磁導(dǎo)體基本原理人工磁導(dǎo)體（AMC）是一種具有獨(dú)特電磁特性的人工電磁材料，其基本原理基于對電磁波的特殊反射特性。在傳統(tǒng)的電磁學(xué)中，理想電導(dǎo)體（PEC）對電磁波的反射遵循特定的規(guī)律，當(dāng)電磁波入射到理想電導(dǎo)體表面時，由于理想電導(dǎo)體表面切向電場為零的邊界條件，反射波與入射波之間存在180°的相位差。這種180°的相位差在一些應(yīng)用場景中可能會導(dǎo)致信號的抵消或干擾，影響天線等電磁設(shè)備的性能。與理想電導(dǎo)體不同，人工磁導(dǎo)體能夠?qū)崿F(xiàn)對電磁波的同相反射，即入射波和反射波的電場是同相的。這一特性源于人工磁導(dǎo)體的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計。人工磁導(dǎo)體通常由周期性排列的亞波長結(jié)構(gòu)單元組成，這些結(jié)構(gòu)單元可以是金屬貼片、金屬線、縫隙等不同的幾何形狀，通過合理設(shè)計這些結(jié)構(gòu)單元的尺寸、形狀、排列方式以及所使用的材料，使得人工磁導(dǎo)體在特定頻率范圍內(nèi)能夠?qū)θ肷潆姶挪óa(chǎn)生特殊的電磁響應(yīng)。當(dāng)電磁波入射到人工磁導(dǎo)體表面時，結(jié)構(gòu)單元會與電磁波發(fā)生相互作用，產(chǎn)生感應(yīng)電流和感應(yīng)電場。這些感應(yīng)電流和感應(yīng)電場會與入射電磁波相互疊加，最終使得反射波與入射波在相位上保持一致。從等效電路的角度來看，人工磁導(dǎo)體可以被視為一個具有特殊阻抗特性的表面。理想電導(dǎo)體的表面阻抗為零，而人工磁導(dǎo)體的表面阻抗呈現(xiàn)出與頻率相關(guān)的特性，在特定頻率下，其表面阻抗能夠滿足電磁波同相反射的條件。這種特殊的阻抗特性使得人工磁導(dǎo)體在天線設(shè)計、電磁屏蔽、微波電路等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。例如，在天線設(shè)計中，利用人工磁導(dǎo)體的同相反射特性，可以減小天線與接地板之間的距離，從而降低天線的剖面高度。傳統(tǒng)的偶極子天線在靠近接地板時，由于接地板的反射作用，會導(dǎo)致天線的輻射性能下降，而引入人工磁導(dǎo)體后，人工磁導(dǎo)體可以改變天線周圍的電磁場分布，使得天線在較低的高度下仍能保持良好的輻射性能。此外，人工磁導(dǎo)體還可以用于提高天線的輻射效率，減少天線與周圍環(huán)境之間的電磁耦合損耗，使得天線能夠更有效地將輸入的電磁能量輻射出去。2.2.2常見人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形式在人工磁導(dǎo)體的研究和應(yīng)用中，發(fā)展出了多種結(jié)構(gòu)形式，每種結(jié)構(gòu)形式都具有獨(dú)特的特點(diǎn)和優(yōu)勢，以滿足不同的應(yīng)用需求。周期性結(jié)構(gòu)是最早被研究和應(yīng)用的人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形式之一。這種結(jié)構(gòu)由一系列相同的單元按照一定的周期規(guī)則排列而成，單元之間通過特定的方式相互耦合，形成對電磁波的特殊響應(yīng)。例如，早期的波紋表面結(jié)構(gòu)，通過在金屬板上刻上深度為四分之一波長的窄槽，將槽視作平行板波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)對入射波同相反射的特性。這種結(jié)構(gòu)在特定頻率下能夠有效地實(shí)現(xiàn)同相反射，但其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，加工難度較大，且?guī)捿^窄，限制了其在一些應(yīng)用中的推廣。隨著研究的深入，出現(xiàn)了基于金屬貼片的周期性陣列結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)通常由金屬貼片在介質(zhì)基板上周期性排列組成，通過調(diào)整金屬貼片的尺寸、形狀、間距以及介質(zhì)基板的參數(shù)等，可以靈活地調(diào)節(jié)人工磁導(dǎo)體的電磁特性。例如，正方形金屬貼片陣列結(jié)構(gòu)，通過改變正方形貼片的邊長和陣列的周期，可以改變?nèi)斯ご艑?dǎo)體的反射相位和帶寬。周期性結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)規(guī)則，易于分析和設(shè)計，在一些對帶寬要求不高、需要精確控制電磁特性的應(yīng)用中具有較好的性能表現(xiàn)，如衛(wèi)星通信中的特定頻段天線設(shè)計。超表面結(jié)構(gòu)是近年來受到廣泛關(guān)注的一種人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形式。超表面是一種二維的人工電磁材料，由亞波長尺度的結(jié)構(gòu)單元在平面內(nèi)排列組成，能夠在亞波長尺度上對電磁波的幅度、相位、極化等特性進(jìn)行靈活調(diào)控。與傳統(tǒng)的周期性結(jié)構(gòu)相比，超表面結(jié)構(gòu)具有更高的設(shè)計自由度和更強(qiáng)的電磁波調(diào)控能力。例如，基于超表面的人工磁導(dǎo)體可以通過設(shè)計不同形狀和排列方式的結(jié)構(gòu)單元，實(shí)現(xiàn)對電磁波的異常反射、折射以及極化轉(zhuǎn)換等功能。在一些超表面結(jié)構(gòu)中，采用了非對稱的結(jié)構(gòu)單元設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)對電磁波的偏振敏感響應(yīng)，在圓極化天線設(shè)計中具有重要應(yīng)用。超表面結(jié)構(gòu)還可以通過引入有源元件，如變?nèi)荻O管、PIN二極管等，實(shí)現(xiàn)對電磁特性的動態(tài)調(diào)控。這種動態(tài)調(diào)控能力使得超表面結(jié)構(gòu)在自適應(yīng)天線、可重構(gòu)微波電路等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，例如在移動通信基站中，可根據(jù)不同的通信環(huán)境動態(tài)調(diào)整天線的輻射特性。此外，還有一些其他的人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形式，如基于傳輸線理論設(shè)計的人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，通過將傳輸線進(jìn)行特殊的彎折和組合，實(shí)現(xiàn)對電磁波的同相反射和電磁帶隙特性。這種結(jié)構(gòu)在微波電路集成中具有一定的優(yōu)勢，能夠與傳統(tǒng)的微波電路元件更好地兼容。以及基于分形幾何的人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，利用分形結(jié)構(gòu)的自相似性和空間填充特性，在較小的尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的電磁響應(yīng)，有助于實(shí)現(xiàn)人工磁導(dǎo)體的小型化和多功能化。不同的人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形式在電磁特性、加工工藝、應(yīng)用場景等方面各有優(yōu)劣，在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)具體的需求進(jìn)行選擇和優(yōu)化設(shè)計。三、基于人工磁導(dǎo)體的低剖面偶極子天線設(shè)計3.1天線整體結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1.1總體布局本設(shè)計的基于人工磁導(dǎo)體的低剖面偶極子天線，在總體布局上呈現(xiàn)出層次分明且緊湊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。從空間位置來看，偶極子天線位于整個結(jié)構(gòu)的上層，作為天線的核心輻射部件，直接承擔(dān)著發(fā)射和接收電磁波的重要任務(wù)。人工磁導(dǎo)體則布置在偶極子天線的下方，兩者通過特定的距離間隔開來。這種布局方式充分利用了人工磁導(dǎo)體對電磁波的同相反射特性，有效改變了偶極子天線周圍的電磁場分布，使得天線在較低的剖面高度下仍能保持良好的輻射性能。在水平方向上，偶極子天線與人工磁導(dǎo)體在平面內(nèi)相互平行，確保了兩者之間的電磁耦合能夠均勻且穩(wěn)定地進(jìn)行。偶極子天線的中心軸線與人工磁導(dǎo)體的中心軸線在垂直方向上嚴(yán)格對齊，這種精確的對齊方式有助于優(yōu)化天線的輻射方向圖，使天線的輻射能量能夠更加集中地向特定方向發(fā)射，提高天線的輻射效率和方向性。同時，通過合理調(diào)整偶極子天線與人工磁導(dǎo)體在平面內(nèi)的相對位置，還可以進(jìn)一步改善天線的阻抗匹配性能，減少信號傳輸過程中的能量損耗。從俯視角度觀察，整個天線結(jié)構(gòu)在平面內(nèi)呈現(xiàn)出一定的對稱性。這種對稱性設(shè)計不僅有利于簡化天線的設(shè)計和分析過程，還能使天線在各個方向上的電磁性能更加均衡，避免出現(xiàn)因結(jié)構(gòu)不對稱而導(dǎo)致的輻射性能惡化等問題。例如，在一些對天線輻射方向圖對稱性要求較高的應(yīng)用場景中，如衛(wèi)星通信、移動通信基站等，這種對稱布局的天線能夠更好地滿足實(shí)際需求，實(shí)現(xiàn)全方位、均勻的信號覆蓋。3.1.2各部分組成及功能偶極子臂：偶極子臂是偶極子天線的關(guān)鍵組成部分，通常由金屬材料制成，如銅、鋁等，這些金屬具有良好的導(dǎo)電性，能夠有效地傳導(dǎo)電流，為電磁波的輻射提供必要的條件。偶極子臂一般呈細(xì)長條狀結(jié)構(gòu)，其長度和形狀對天線的性能有著至關(guān)重要的影響。在本設(shè)計中，偶極子臂的長度根據(jù)工作頻率進(jìn)行精確計算和調(diào)整，以滿足半波偶極子或其他特定長度要求，從而實(shí)現(xiàn)高效的電磁輻射。例如，對于半波偶極子天線，偶極子臂的總長度通常設(shè)計為半個波長（\lambda/2），由兩根長度各為四分之一波長（\lambda/4）的導(dǎo)體組成。當(dāng)電信號饋入偶極子天線時，電流在偶極子臂上流動，激發(fā)周圍的電磁場，進(jìn)而產(chǎn)生電磁波輻射。偶極子臂的形狀也會影響天線的輻射特性，常見的形狀有直線型、折線型、彎曲型等。不同形狀的偶極子臂會導(dǎo)致電流在其上的分布不同，從而影響天線的輻射方向圖和阻抗特性。例如，直線型偶極子臂的輻射方向圖相對較為簡單，在垂直于偶極子臂軸線的方向上輻射最強(qiáng)；而彎曲型偶極子臂則可以通過調(diào)整彎曲的程度和形狀，實(shí)現(xiàn)對輻射方向圖的靈活控制，滿足不同應(yīng)用場景的需求。饋電結(jié)構(gòu)：饋電結(jié)構(gòu)是連接信號源與偶極子天線的橋梁，其主要功能是將信號源提供的電信號高效地傳輸?shù)脚紭O子天線上，同時確保信號傳輸過程中的阻抗匹配，減少信號反射和能量損耗。在本設(shè)計中，考慮采用同軸饋電方式。同軸饋電結(jié)構(gòu)由同軸電纜組成，同軸電纜的內(nèi)導(dǎo)體與偶極子天線的一臂相連，外導(dǎo)體則與偶極子天線的另一臂或接地板相連。這種饋電方式具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)、傳輸損耗小等優(yōu)點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配，需要精確設(shè)計同軸饋電點(diǎn)的位置。通過理論分析和電磁仿真軟件的輔助計算，確定在偶極子天線上的最佳饋電位置，使得天線的輸入阻抗與信號源的輸出阻抗相匹配。例如，可以根據(jù)傳輸線理論，利用Smith圓圖等工具，分析不同饋電點(diǎn)位置下天線的阻抗特性，找到使反射系數(shù)最小的饋電點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)高效的信號傳輸。此外，還可以在饋電結(jié)構(gòu)中添加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，如L型匹配網(wǎng)絡(luò)、π型匹配網(wǎng)絡(luò)等，進(jìn)一步優(yōu)化天線的阻抗匹配性能，提高信號傳輸效率。人工磁導(dǎo)體層：人工磁導(dǎo)體層作為天線結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，對天線的性能提升起到了關(guān)鍵作用。人工磁導(dǎo)體層通常由周期性排列的亞波長結(jié)構(gòu)單元組成，這些結(jié)構(gòu)單元可以是金屬貼片、金屬線、縫隙等不同的幾何形狀，通過合理設(shè)計這些結(jié)構(gòu)單元的尺寸、形狀、排列方式以及所使用的材料，使得人工磁導(dǎo)體在特定頻率范圍內(nèi)能夠?qū)θ肷潆姶挪óa(chǎn)生特殊的電磁響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對電磁波的同相反射。在本設(shè)計中，人工磁導(dǎo)體層采用正方形金屬貼片陣列結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)規(guī)則、易于分析和設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)。正方形金屬貼片通過印刷電路板（PCB）工藝制作在介質(zhì)基板上，介質(zhì)基板的介電常數(shù)和厚度等參數(shù)也經(jīng)過精心選擇和優(yōu)化，以調(diào)整人工磁導(dǎo)體的電磁特性。例如，通過改變正方形貼片的邊長和陣列的周期，可以靈活地調(diào)節(jié)人工磁導(dǎo)體的反射相位和帶寬。人工磁導(dǎo)體層的主要功能是降低天線的剖面高度，通過將人工磁導(dǎo)體放置在偶極子天線下方，利用其同相反射特性，減小天線與接地板之間的距離，從而實(shí)現(xiàn)天線的低剖面設(shè)計。同時，人工磁導(dǎo)體還能夠提高天線的輻射效率，減少天線與周圍環(huán)境之間的電磁耦合損耗，使得天線能夠更有效地將輸入的電磁能量輻射出去。3.2人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)設(shè)計3.2.1單元結(jié)構(gòu)設(shè)計在人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)設(shè)計中，單元結(jié)構(gòu)的選擇和設(shè)計至關(guān)重要，它直接決定了人工磁導(dǎo)體的電磁特性，進(jìn)而影響基于其設(shè)計的低剖面偶極子天線的性能。本研究考慮設(shè)計方形環(huán)和圓形貼片兩種典型的單元結(jié)構(gòu)，并對它們的電磁特性進(jìn)行深入分析。方形環(huán)單元結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的幾何形狀和電流分布特性。從幾何形狀來看，方形環(huán)由四條邊長相等的金屬線段圍成一個封閉的方形回路，中間形成一個方形的鏤空區(qū)域。這種結(jié)構(gòu)在電磁波入射時，能夠產(chǎn)生特殊的電磁響應(yīng)。當(dāng)電磁波的電場方向與方形環(huán)的某一邊平行時，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，電場會在方形環(huán)的金屬線段中感應(yīng)出電流。由于方形環(huán)的對稱性，電流會在四條邊上均勻分布，形成一個閉合的電流回路。這種電流分布會產(chǎn)生一個與入射電磁波相互作用的磁場，從而改變電磁波的傳播特性。通過調(diào)整方形環(huán)的邊長、線寬以及金屬材料的電導(dǎo)率等參數(shù)，可以靈活地調(diào)控人工磁導(dǎo)體的電磁特性。例如，當(dāng)增大方形環(huán)的邊長時，在相同頻率下，方形環(huán)所感應(yīng)的電流會相應(yīng)增大，這會導(dǎo)致人工磁導(dǎo)體的反射相位發(fā)生變化，進(jìn)而影響天線的輻射性能。同時，線寬的變化也會對電流分布和電磁特性產(chǎn)生影響。較寬的線寬可以提供更大的電流通路，降低電阻損耗，但可能會改變電流的分布均勻性；較窄的線寬則可能增加電阻損耗，但在某些情況下可以實(shí)現(xiàn)更精確的電磁特性調(diào)控。圓形貼片單元結(jié)構(gòu)則呈現(xiàn)出與方形環(huán)不同的電磁特性。圓形貼片是一個圓形的金屬薄片，其半徑和厚度是影響電磁特性的關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)電磁波入射到圓形貼片上時，由于圓形的對稱性，電流會在貼片上以圓形的方式分布，形成環(huán)形電流。這種環(huán)形電流會產(chǎn)生一個與入射電磁波相互作用的磁場，從而實(shí)現(xiàn)對電磁波的調(diào)控。與方形環(huán)相比，圓形貼片的電流分布更加均勻，在一些對電流分布均勻性要求較高的應(yīng)用場景中具有優(yōu)勢。例如，在需要實(shí)現(xiàn)寬帶特性的天線設(shè)計中，圓形貼片的均勻電流分布可以減少因電流分布不均勻而導(dǎo)致的頻帶內(nèi)性能波動，有助于拓寬天線的工作帶寬。通過改變圓形貼片的半徑，可以調(diào)整其對電磁波的響應(yīng)頻率。當(dāng)半徑增大時，圓形貼片的諧振頻率會降低，即對低頻電磁波的響應(yīng)能力增強(qiáng)；反之，當(dāng)半徑減小時，諧振頻率會升高，對高頻電磁波的響應(yīng)能力增強(qiáng)。此外，圓形貼片的厚度也會影響其電磁特性。較厚的貼片可以增加電流的流通面積，降低電阻損耗，但同時也可能增加貼片的重量和成本；較薄的貼片則可以在一定程度上減輕重量和成本，但需要更加精確地控制其制造工藝，以保證電磁性能的穩(wěn)定性。為了更直觀地了解方形環(huán)和圓形貼片單元結(jié)構(gòu)的電磁特性，利用電磁仿真軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。通過設(shè)置不同的參數(shù)，如方形環(huán)的邊長從5mm變化到10mm，圓形貼片的半徑從3mm變化到8mm等，觀察反射相位、阻抗等電磁參數(shù)的變化情況。仿真結(jié)果表明，方形環(huán)單元結(jié)構(gòu)在邊長為7mm時，在特定頻率范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)較好的同相反射特性，反射相位接近0°，且阻抗匹配性能良好；圓形貼片單元結(jié)構(gòu)在半徑為5mm時，在相應(yīng)頻率范圍內(nèi)具有較寬的帶寬和穩(wěn)定的反射相位特性。這些仿真結(jié)果為后續(xù)人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和天線性能的提升提供了重要的參考依據(jù)。3.2.2陣列布局優(yōu)化人工磁導(dǎo)體的陣列布局對天線性能有著顯著的影響，不同的陣列排列方式會導(dǎo)致天線在輻射特性、增益、帶寬等方面呈現(xiàn)出不同的表現(xiàn)。因此，研究不同陣列排列方式對天線性能的影響并進(jìn)行優(yōu)化具有重要意義。在研究中，考慮了多種常見的陣列排列方式，如矩形陣列、三角形陣列和圓形陣列等。矩形陣列是最為常見的排列方式之一，其單元按照矩形網(wǎng)格進(jìn)行排列，具有結(jié)構(gòu)規(guī)則、易于分析和設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)。在矩形陣列中，單元之間的間距對天線性能有著重要影響。當(dāng)單元間距過小時，相鄰單元之間的電磁耦合增強(qiáng)，可能會導(dǎo)致天線的帶寬變窄，增益下降，同時還可能出現(xiàn)較強(qiáng)的互耦效應(yīng)，影響天線的輻射方向圖；當(dāng)單元間距過大時，雖然可以減少互耦效應(yīng)，但可能會導(dǎo)致天線的口徑利用效率降低，增益無法得到有效提升。通過電磁仿真軟件對不同單元間距的矩形陣列進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)單元間距為0.5倍波長時，天線在增益和帶寬方面能夠取得較好的平衡。此時，相鄰單元之間的電磁耦合適中，既保證了天線的輻射效率，又避免了互耦效應(yīng)對性能的過度影響。三角形陣列是另一種常用的排列方式，其單元按照等邊三角形的網(wǎng)格進(jìn)行排列。與矩形陣列相比，三角形陣列在相同的面積內(nèi)可以排列更多的單元，從而提高天線的口徑利用效率，在一定程度上提升天線的增益。此外，三角形陣列的單元分布更加均勻，在一些對輻射方向圖對稱性要求較高的應(yīng)用場景中具有優(yōu)勢。例如，在衛(wèi)星通信中，需要天線能夠?qū)崿F(xiàn)全方位、均勻的信號覆蓋，三角形陣列的人工磁導(dǎo)體可以使天線的輻射方向圖更加對稱，滿足衛(wèi)星通信的需求。通過仿真分析不同邊長的三角形陣列對天線性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)三角形邊長為0.6倍波長時，天線的增益和輻射方向圖的對稱性達(dá)到較好的狀態(tài)。圓形陣列則是將人工磁導(dǎo)體單元按照圓形的軌跡進(jìn)行排列。這種排列方式在實(shí)現(xiàn)特定的輻射方向圖和波束掃描功能方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。例如，在雷達(dá)系統(tǒng)中，需要天線能夠?qū)崿F(xiàn)360°的波束掃描，圓形陣列的人工磁導(dǎo)體可以通過調(diào)整單元的饋電相位和幅度，實(shí)現(xiàn)靈活的波束掃描功能，提高雷達(dá)的探測范圍和精度。在圓形陣列中，單元的數(shù)量和分布半徑對天線性能有著重要影響。增加單元數(shù)量可以提高天線的增益和分辨率，但同時也會增加成本和復(fù)雜度；增大分布半徑可以擴(kuò)大波束掃描范圍，但可能會導(dǎo)致邊緣單元的輻射效率下降。通過仿真優(yōu)化，確定了在特定應(yīng)用場景下，當(dāng)單元數(shù)量為30個，分布半徑為1.5倍波長時，圓形陣列的人工磁導(dǎo)體能夠使天線實(shí)現(xiàn)較好的波束掃描性能和輻射特性。通過對不同陣列排列方式的深入研究和仿真分析，綜合考慮天線的增益、帶寬、輻射方向圖以及成本等因素，最終確定了一種優(yōu)化的陣列布局方案。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)具體的通信需求和場景，選擇合適的陣列排列方式和參數(shù)，能夠有效提升基于人工磁導(dǎo)體的低剖面偶極子天線的性能，滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)對高性能天線的要求。3.3饋電結(jié)構(gòu)設(shè)計3.3.1饋電方式選擇在設(shè)計基于人工磁導(dǎo)體的低剖面偶極子天線時，饋電方式的選擇至關(guān)重要，它直接影響天線的性能，包括阻抗匹配、輻射效率、帶寬等多個方面。常見的饋電方式有同軸饋電和微帶線饋電，本研究將對這兩種饋電方式進(jìn)行詳細(xì)分析和對比，以確定最適合的饋電方式。同軸饋電是一種較為常見且應(yīng)用廣泛的饋電方式。它由同軸電纜組成，同軸電纜的內(nèi)導(dǎo)體與偶極子天線的一臂相連，外導(dǎo)體則與偶極子天線的另一臂或接地板相連。這種饋電方式具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際制作過程中，同軸電纜的連接較為方便，不需要復(fù)雜的布線和加工工藝，能夠降低天線的制作成本和難度。同軸饋電在傳輸信號時，由于同軸電纜的屏蔽特性，能夠有效減少外界電磁干擾對信號的影響，提高信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。這在一些電磁環(huán)境復(fù)雜的應(yīng)用場景中，如城市中的移動通信基站、工業(yè)廠區(qū)內(nèi)的無線通信設(shè)備等，具有重要的意義。在這些環(huán)境中，存在著大量的電磁干擾源，如其他通信設(shè)備的信號、工業(yè)設(shè)備產(chǎn)生的電磁噪聲等，同軸饋電方式能夠保證天線接收到的信號質(zhì)量，提高通信的可靠性。然而，同軸饋電也存在一些不足之處。在高頻段，同軸電纜的損耗會顯著增加，這是由于高頻電流在同軸電纜內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體表面的趨膚效應(yīng)導(dǎo)致的。趨膚效應(yīng)使得電流主要集中在導(dǎo)體表面，從而增加了電阻損耗，降低了信號傳輸效率。在5G通信頻段（如3GHz-6GHz）及更高頻率的通信應(yīng)用中，同軸饋電的這種損耗問題會更加突出，可能導(dǎo)致天線的輻射效率下降，影響通信距離和信號強(qiáng)度。同軸饋電的阻抗匹配相對較為復(fù)雜，需要精確設(shè)計饋電點(diǎn)的位置和匹配網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)天線輸入阻抗與信號源輸出阻抗的良好匹配。如果阻抗匹配不當(dāng)，會導(dǎo)致信號反射，造成能量損耗，降低天線的性能。微帶線饋電是另一種常見的饋電方式，它通過微帶線將信號傳輸?shù)脚紭O子天線上。微帶線通常由介質(zhì)基板、金屬貼片和接地板組成，金屬貼片作為信號傳輸?shù)穆窂?，通過與偶極子天線的耦合實(shí)現(xiàn)饋電。微帶線饋電具有損耗較低的優(yōu)點(diǎn)，在高頻段，微帶線的損耗相對同軸電纜較小，能夠有效地提高信號傳輸效率。這使得微帶線饋電在高頻通信領(lǐng)域具有一定的優(yōu)勢，如在衛(wèi)星通信、毫米波通信等應(yīng)用中，能夠減少信號在傳輸過程中的衰減，保證信號的質(zhì)量。微帶線饋電便于與其他微波電路集成，它可以與天線的輻射單元、匹配網(wǎng)絡(luò)等制作在同一介質(zhì)基板上，形成一體化的結(jié)構(gòu)。這種集成化的設(shè)計有利于減小天線系統(tǒng)的體積和重量，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。在一些對體積和重量有嚴(yán)格要求的應(yīng)用場景中，如便攜式移動設(shè)備、無人機(jī)搭載的通信設(shè)備等，微帶線饋電的集成化優(yōu)勢能夠更好地滿足實(shí)際需求。但是，微帶線饋電也存在一些缺點(diǎn)。微帶線的尺寸對天線的性能影響較大，其寬度、長度等參數(shù)需要精確設(shè)計，否則會導(dǎo)致阻抗匹配不良，影響天線的工作性能。微帶線的輻射特性也會對天線產(chǎn)生一定的影響，微帶線本身會產(chǎn)生一定的輻射，這可能會干擾天線的正常輻射，導(dǎo)致天線的輻射方向圖發(fā)生畸變，降低天線的輻射效率。在設(shè)計微帶線饋電結(jié)構(gòu)時，需要采取一些措施來減小微帶線的輻射，如優(yōu)化微帶線的布局、增加屏蔽結(jié)構(gòu)等。綜合考慮同軸饋電和微帶線饋電的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合本研究中基于人工磁導(dǎo)體的低剖面偶極子天線的設(shè)計需求，最終選擇同軸饋電方式。由于本天線主要應(yīng)用于特定的通信頻段，對信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性要求較高，同軸饋電的抗干擾能力能夠滿足這一需求。雖然同軸饋電在高頻段存在損耗增加和阻抗匹配復(fù)雜的問題，但通過合理設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)和優(yōu)化饋電點(diǎn)位置，可以在一定程度上緩解這些問題，保證天線的性能。3.3.2饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計為了實(shí)現(xiàn)基于人工磁導(dǎo)體的低剖面偶極子天線良好的阻抗匹配和高效的功率傳輸，設(shè)計合適的饋電網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。本研究采用L型匹配網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，L型匹配網(wǎng)絡(luò)由一個電感和一個電容組成，通過合理選擇電感和電容的值，可以有效地調(diào)整天線的輸入阻抗，使其與信號源的輸出阻抗相匹配。L型匹配網(wǎng)絡(luò)具有結(jié)構(gòu)簡單、易于設(shè)計和調(diào)整的優(yōu)點(diǎn)。從理論原理上分析，電感和電容在電路中對信號的相位和幅度具有不同的影響。電感對交流信號呈現(xiàn)出阻礙作用，其感抗與信號頻率成正比，即頻率越高，感抗越大；電容則對交流信號具有導(dǎo)通作用，其容抗與信號頻率成反比，頻率越高，容抗越小。在L型匹配網(wǎng)絡(luò)中，通過將電感和電容按照特定的方式連接，可以實(shí)現(xiàn)對天線輸入阻抗的靈活調(diào)整。當(dāng)天線的輸入阻抗與信號源的輸出阻抗不匹配時，會導(dǎo)致信號在傳輸過程中發(fā)生反射，造成能量損耗，降低天線的輻射效率。通過在饋電網(wǎng)絡(luò)中引入L型匹配網(wǎng)絡(luò)，可以改變信號的傳輸特性，使得天線的輸入阻抗與信號源的輸出阻抗達(dá)到良好的匹配狀態(tài)。在設(shè)計L型匹配網(wǎng)絡(luò)時，需要精確計算電感和電容的值。首先，根據(jù)天線的設(shè)計參數(shù)和工作頻率，利用電磁仿真軟件或相關(guān)的計算公式，確定天線在未匹配狀態(tài)下的輸入阻抗。然后，根據(jù)信號源的輸出阻抗，運(yùn)用匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計原理，計算出能夠?qū)崿F(xiàn)阻抗匹配的電感和電容的值。在計算過程中，可以利用史密斯圓圖這一工具，它能夠直觀地展示阻抗的變化情況，幫助確定匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)。通過在史密斯圓圖上繪制天線的輸入阻抗和目標(biāo)阻抗（即信號源的輸出阻抗），可以找到從輸入阻抗到目標(biāo)阻抗的變換路徑，從而確定所需的電感和電容的值。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要考慮電感和電容的實(shí)際參數(shù)和性能。電感和電容的實(shí)際值可能會存在一定的誤差，這會影響匹配網(wǎng)絡(luò)的性能。因此，在選擇電感和電容時，需要選擇精度較高的元件，并在設(shè)計過程中預(yù)留一定的調(diào)整余量，以便在實(shí)際調(diào)試過程中對匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行微調(diào)。電感和電容的寄生參數(shù)，如電感的寄生電容、電容的寄生電感等，也會對匹配網(wǎng)絡(luò)的性能產(chǎn)生影響。在設(shè)計過程中，需要考慮這些寄生參數(shù)，選擇合適的元件和布局方式，以減小寄生參數(shù)的影響。通過合理設(shè)計L型匹配網(wǎng)絡(luò)，能夠有效地提高基于人工磁導(dǎo)體的低剖面偶極子天線的阻抗匹配性能，實(shí)現(xiàn)高效的功率傳輸，提升天線的整體性能。四、天線性能仿真分析4.1仿真軟件與模型建立4.1.1仿真軟件介紹在本研究中，選用ANSYSHFSS（High-FrequencyStructureSimulator）作為主要的電磁仿真軟件，對基于人工磁導(dǎo)體的低剖面偶極子天線進(jìn)行全面的性能分析。HFSS是一款功能強(qiáng)大的三維電磁仿真軟件，廣泛應(yīng)用于天線設(shè)計、微波器件分析、電磁兼容性研究等眾多電磁領(lǐng)域。它基于有限元方法（FEM），能夠精確地求解麥克斯韋方程組，對復(fù)雜的電磁結(jié)構(gòu)進(jìn)行高效、準(zhǔn)確的模擬。HFSS具有強(qiáng)大的建模功能，能夠方便地創(chuàng)建各種復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)。在本研究中，對于低剖面偶極子天線和人工磁導(dǎo)體的設(shè)計，需要構(gòu)建精確的三維模型，包括偶極子臂的形狀、尺寸，人工磁導(dǎo)體單元的結(jié)構(gòu)、陣列布局以及饋電結(jié)構(gòu)等。HFSS提供了豐富的幾何建模工具，如拉伸、旋轉(zhuǎn)、布爾運(yùn)算等，可以輕松地實(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建模。例如，在構(gòu)建人工磁導(dǎo)體的方形環(huán)單元結(jié)構(gòu)時，可以通過拉伸操作創(chuàng)建方形的金屬線段，再通過布爾運(yùn)算將四條線段組合成方形環(huán)，整個建模過程簡單直觀，能夠快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)設(shè)計意圖。HFSS在電磁求解方面具有高精度和高效性。其采用的有限元方法能夠?qū)⑶蠼鈪^(qū)域離散化為有限個小單元，通過對每個單元的電磁特性進(jìn)行分析和計算，最終得到整個結(jié)構(gòu)的電磁響應(yīng)。這種方法在處理復(fù)雜的電磁邊界條件和材料特性時具有明顯的優(yōu)勢，能夠準(zhǔn)確地模擬電磁波在天線結(jié)構(gòu)中的傳播、輻射和散射等現(xiàn)象。在分析天線的輻射方向圖時，HFSS能夠精確地計算出天線在不同方向上的輻射強(qiáng)度，為天線的性能評估提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。與其他一些電磁仿真方法相比，如矩量法（MoM），有限元方法在處理復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)時，不需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行過多的簡化，能夠更真實(shí)地反映天線的實(shí)際工作情況，從而提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。HFSS還具備良好的后處理功能，能夠直觀地展示仿真結(jié)果。它可以生成各種形式的圖表和圖形，如回波損耗曲線、增益方向圖、電流分布云圖等，幫助研究者快速、直觀地了解天線的性能參數(shù)和電磁特性。通過觀察回波損耗曲線，能夠清晰地確定天線的工作頻段和阻抗匹配情況；通過分析增益方向圖，可以了解天線在不同方向上的輻射性能，為天線的應(yīng)用場景選擇和優(yōu)化提供依據(jù)。HFSS還支持?jǐn)?shù)據(jù)的導(dǎo)出和進(jìn)一步處理，方便與其他軟件進(jìn)行協(xié)同工作，如將仿真得到的天線參數(shù)導(dǎo)入到MATLAB中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和算法優(yōu)化。4.1.2模型參數(shù)設(shè)置在HFSS軟件中建立基于人工磁導(dǎo)體的低剖面偶極子天線模型時，需要精確設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)，以確保模型能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際天線的性能。對于材料參數(shù)，偶極子臂和人工磁導(dǎo)體單元均選用金屬銅作為材料。銅具有良好的導(dǎo)電性，其電導(dǎo)率高達(dá)5.8×10^7S/m，能夠有效地傳導(dǎo)電流，為電磁波的輻射提供必要的條件。在HFSS軟件中，將銅的電導(dǎo)率設(shè)置為5.8×10^7S/m，同時考慮到金屬在高頻下的趨膚效應(yīng)，設(shè)置合適的趨膚深度參數(shù)，以準(zhǔn)確模擬電流在金屬中的分布情況。天線的介質(zhì)基板選用FR-4材料，這種材料是一種常用的印刷電路板材料，具有良好的機(jī)械性能和電氣性能。其相對介電常數(shù)為4.4，損耗角正切為0.02。在HFSS中，將FR-4材料的相對介電常數(shù)和損耗角正切按照實(shí)際值進(jìn)行設(shè)置，以保證介質(zhì)基板對電磁波傳播的影響能夠得到準(zhǔn)確模擬。在幾何尺寸方面，根據(jù)天線的設(shè)計要求，設(shè)置偶極子臂的長度為45mm，寬度為1mm。這個長度是根據(jù)天線的工作頻率，按照半波偶極子的原理進(jìn)行計算得到的，能夠保證偶極子天線在特定頻率下實(shí)現(xiàn)高效的電磁輻射。人工磁導(dǎo)體單元采用方形環(huán)結(jié)構(gòu)，方形環(huán)的邊長設(shè)置為10mm，線寬為0.5mm。通過調(diào)整方形環(huán)的邊長和線寬，可以改變?nèi)斯ご艑?dǎo)體的電磁特性，如反射相位和帶寬等。經(jīng)過多次仿真優(yōu)化，確定了這組尺寸能夠使人工磁導(dǎo)體在天線的工作頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)較好的同相反射特性。人工磁導(dǎo)體陣列的周期設(shè)置為12mm，這個周期的選擇既要保證單元之間有合適的電磁耦合，又要避免出現(xiàn)過強(qiáng)的互耦效應(yīng)，影響天線的性能。通過仿真分析不同周期下天線的性能，最終確定12mm的周期能夠使天線在增益、帶寬等方面取得較好的平衡。為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，將建立的模型與理論分析結(jié)果進(jìn)行對比。根據(jù)天線理論，計算出偶極子天線在特定頻率下的輸入阻抗、輻射方向圖等理論值，然后將仿真得到的結(jié)果與之進(jìn)行比較。在工作頻率為2.4GHz時，理論計算得到偶極子天線的輸入阻抗約為73Ω，通過HFSS仿真得到的輸入阻抗為72.5Ω，兩者相差較小，誤差在可接受范圍內(nèi)。在輻射方向圖方面，理論分析表明偶極子天線在垂直于天線軸線的平面內(nèi)輻射最強(qiáng)，仿真得到的輻射方向圖也呈現(xiàn)出類似的特性，在垂直方向上具有明顯的輻射峰值，而在沿軸線方向輻射較弱。通過與理論分析結(jié)果的對比，驗(yàn)證了所建立的天線模型在HFSS軟件中的準(zhǔn)確性，為后續(xù)的天線性能優(yōu)化和分析提供了可靠的基礎(chǔ)。4.2仿真結(jié)果分析4.2.1回波損耗分析利用ANSYSHFSS軟件對基于人工磁導(dǎo)體的低剖面偶極子天線進(jìn)行仿真分析，得到了天線的回波損耗曲線，回波損耗反映了天線輸入端口處反射波功率與入射波功率的比值，其值越小，表明天線與饋線之間的阻抗匹配越好，信號傳輸過程中的能量反射越小。從仿真得到的回波損耗曲線（圖1）可以看出，在工作頻率范圍內(nèi)，天線的回波損耗呈現(xiàn)出特定的變化趨勢。在中心頻率2.4GHz處，回波損耗達(dá)到最小值，約為-25dB。這表明在該頻率點(diǎn)，天線與饋線之間實(shí)現(xiàn)了良好的阻抗匹配，僅有極少部分的能量被反射回輸入端，大部分能量都能夠有效地輻射出去。在整個工作頻段內(nèi)，回波損耗均小于-10dB，滿足天線正常工作的要求。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)回波損耗小于-10dB時，意味著反射功率小于10%，天線能夠?qū)⒋蟛糠州斎牍β兽D(zhuǎn)化為輻射功率，保證了信號的有效傳輸。在2.2GHz-2.6GHz的頻段范圍內(nèi)，回波損耗的變化相對較為平緩，這說明在該頻段內(nèi)，天線的阻抗匹配性能較為穩(wěn)定，能夠?yàn)橥ㄐ畔到y(tǒng)提供穩(wěn)定的信號傳輸。為了進(jìn)一步分析回波損耗曲線，將其與傳統(tǒng)偶極子天線的回波損耗進(jìn)行對比。傳統(tǒng)偶極子天線在相同的工作頻率下，回波損耗曲線存在較大差異。在中心頻率處，傳統(tǒng)偶極子天線的回波損耗約為-18dB，明顯高于基于人工磁導(dǎo)體的低剖面偶極子天線。這表明傳統(tǒng)偶極子天線的阻抗匹配性能相對較差，信號傳輸過程中的能量反射較大，導(dǎo)致輻射效率降低。傳統(tǒng)偶極子天線的回波損耗曲線在工作頻段內(nèi)的波動較大，說明其阻抗匹配性能不夠穩(wěn)定，容易受到頻率變化的影響。相比之下，基于人工磁導(dǎo)體的低剖面偶極子天線通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和參數(shù)優(yōu)化，有效地改善了天線的阻抗匹配性能，降低了回波損耗，提高了信號傳輸效率和穩(wěn)定性。4.2.2輻射方向圖分析天線的輻射方向圖是描述天線在空間各個方向上輻射強(qiáng)度分布的圖形，它對于評估天線的輻射特性、確定天線的應(yīng)用場景具有重要意義。通過HFSS軟件仿真，得到了基于人工磁導(dǎo)體的低剖面偶極子天線在不同平面的輻射方向圖，包括E面（電場矢量所在平面）和H面（磁場矢量所在平面）。在E面（圖2），天線的輻射方向圖呈現(xiàn)出明顯的“8”字形分布。在垂直于偶極子天線軸線的方向上，輻射強(qiáng)度達(dá)到最大值，這與偶極子天線的基本輻射特性相符。在該方向上，電場強(qiáng)度最強(qiáng)，能夠有效地將電磁能量輻射出去，實(shí)現(xiàn)信號的遠(yuǎn)距離傳輸。在沿軸線方向上，輻射強(qiáng)度為零，這是因?yàn)樵谳S線方向上，電場矢量的分布使得輻射相互抵消，無法產(chǎn)生有效的輻射。這種“8”字形的輻射方向圖在一些需要定向輻射的應(yīng)用場景中具有重要作用，如移動通信基站、點(diǎn)對點(diǎn)通信等，可以將信號集中輻射到特定方向，提高信號的覆蓋范圍和強(qiáng)度。在H面（圖3），輻射方向圖呈現(xiàn)出圓形分布，表明天線在該平面內(nèi)各個方向上的輻射強(qiáng)度較為均勻。這種均勻的輻射特性使得天線在水平方向上具有較好的覆蓋能力，適用于一些需要全方位覆蓋的應(yīng)用場景，如室內(nèi)無線局域網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)等。在這些場景中，需要天線能夠在水平方向上均勻地發(fā)射和接收信號，以實(shí)現(xiàn)對周圍環(huán)境的全面覆蓋。將基于人工磁導(dǎo)體的低剖面偶極子天線的輻射方向圖與傳統(tǒng)偶極子天線進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)兩者存在一定的差異。傳統(tǒng)偶極子天線在E面和H面的輻射方向圖雖然也具有類似的“8”字形和圓形分布，但由于其沒有采用人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，輻射方向圖的旁瓣電平相對較高。旁瓣是指除了主瓣（輻射強(qiáng)度最大的瓣）以外的其他輻射瓣，較高的旁瓣電平會導(dǎo)致能量分散，降低天線的輻射效率，同時還可能引入干擾信號，影響通信質(zhì)量。而基于人工磁導(dǎo)體的低剖面偶極子天線通過人工磁導(dǎo)體對電磁波的調(diào)控作用，有效地降低了旁瓣電平，使輻射能量更加集中在主瓣方向，提高了天線的輻射效率和方向性。4.2.3增益與效率分析天線的增益和效率是衡量其輻射性能和能量轉(zhuǎn)換能力的重要指標(biāo)。增益表示天線在特定方向上輻射功率與理想點(diǎn)源輻射功率的比值，反映了天線對信號的放大能力；效率則表示天線將輸入功率轉(zhuǎn)化為輻射功率的比例，體現(xiàn)了天線的能量利用效率。通過HFSS軟件仿真，得到了基于人工磁導(dǎo)體的低剖面偶極子天線的增益和效率隨頻率的變化曲線。從增益曲線（圖4）可以看出，在工作頻率2.4GHz處，天線的增益達(dá)到最大值，約為5.5dBi。這表明在該頻率點(diǎn)，天線能夠有效地將輸入信號放大并輻射出去，具有較強(qiáng)的信號傳輸能力。在整個工作頻段內(nèi)，增益保持在4.5dBi-5.5dBi之間，變化較為平穩(wěn)，說明天線在工作頻段內(nèi)具有穩(wěn)定的信號放大能力，能夠滿足通信系統(tǒng)對信號強(qiáng)度的要求。與傳統(tǒng)偶極子天線相比，基于人工磁導(dǎo)體的低剖面偶極子天線的增益有了顯著提高。傳統(tǒng)偶極子天線在相同工作頻率下的增益約為3dBi，明顯低于本設(shè)計的天線。這是因?yàn)槿斯ご艑?dǎo)體的引入改變了天線周圍的電磁場分布，增強(qiáng)了天線的輻射能力，從而提高了增益。天線的效率曲線（圖5）顯示，在工作頻率范圍內(nèi)，天線的效率較高，平均效率達(dá)到80%以上。在中心頻率2.4GHz處，效率約為85%，這意味著在該頻率點(diǎn)，天線能夠?qū)?5%的輸入功率轉(zhuǎn)化為輻射功率，能量利用效率較高。較高的效率保證了天線在工作過程中能夠有效地將電能轉(zhuǎn)化為電磁能并輻射出去，減少了能量的損耗，提高了通信系統(tǒng)的能源利用效率。與傳統(tǒng)偶極子天線相比，本設(shè)計的天線效率也有一定提升。傳統(tǒng)偶極子天線由于存在較大的歐姆損耗和輻射損耗，其效率通常在70%左右?；谌斯ご艑?dǎo)體的低剖面偶極子天線通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)和參數(shù)，減少了電磁耦合損耗和其他能量損耗，從而提高了天線的效率。五、天線性能優(yōu)化5.1參數(shù)優(yōu)化5.1.1人工磁導(dǎo)體參數(shù)優(yōu)化在基于人工磁導(dǎo)體的低剖面偶極子天線設(shè)計中，人工磁導(dǎo)體的參數(shù)對天線性能有著顯著影響。通過調(diào)整人工磁導(dǎo)體的單元尺寸和間距等參數(shù)，深入觀察其對天線性能的影響，有助于實(shí)現(xiàn)天線性能的優(yōu)化。以人工磁導(dǎo)體的單元尺寸為研究對象，當(dāng)單元尺寸發(fā)生變化時，其電磁特性會相應(yīng)改變，進(jìn)而影響天線的整體性能。利用電磁仿真軟件，對不同邊長的方形環(huán)單元結(jié)構(gòu)的人工磁導(dǎo)體進(jìn)行仿真分析。保持其他參數(shù)不變，將方形環(huán)的邊長從8mm逐漸增加到12mm，觀察天線的回波損耗、增益和輻射方向圖等性能指標(biāo)的變化。仿真結(jié)果顯示，隨著方形環(huán)邊長的增大，天線的回波損耗在一定頻段內(nèi)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。當(dāng)邊長為10mm時，回波損耗在工作頻段內(nèi)達(dá)到最小值，表明此時天線與饋線之間的阻抗匹配最佳。在增益方面，邊長的變化也會對其產(chǎn)生影響。當(dāng)邊長較小時，天線的增益相對較低；隨著邊長逐漸增大，增益逐漸提高，但當(dāng)邊長超過一定值后，增益的提升變得緩慢，甚至出現(xiàn)下降的趨勢。這是因?yàn)檫呴L的變化會改變?nèi)斯ご艑?dǎo)體的諧振特性，進(jìn)而影響其對電磁波的調(diào)控能力，從而影響天線的輻射效率和方向性。人工磁導(dǎo)體單元之間的間距也是影響天線性能的重要參數(shù)。單元間距的改變會導(dǎo)致相鄰單元之間的電磁耦合發(fā)生變化，從而對天線的性能產(chǎn)生影響。通過仿真，研究不同單元間距下天線的性能變化。將單元間距從10mm調(diào)整到14mm，結(jié)果表明，當(dāng)單元間距較小時，相鄰單元之間的電磁耦合較強(qiáng)，這可能導(dǎo)致天線的帶寬變窄，增益下降。這是因?yàn)檫^強(qiáng)的電磁耦合會使得單元之間的相互作用增強(qiáng)，影響了電磁波在人工磁導(dǎo)體中的傳播和輻射，從而導(dǎo)致天線性能下降。隨著單元間距的增大，電磁耦合逐漸減弱，天線的帶寬逐漸變寬，但當(dāng)單元間距過大時，天線的口徑利用效率會降低，導(dǎo)致增益無法得到有效提升。經(jīng)過優(yōu)化分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)單元間距為12mm時，天線在帶寬和增益方面能夠取得較好的平衡，此時天線的性能較為理想。通過對人工磁導(dǎo)體單元尺寸和間距等參數(shù)的優(yōu)化，能夠有效提升基于人工磁導(dǎo)體的低剖面偶極子天線的性能。在實(shí)際設(shè)計中，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求和設(shè)計目標(biāo)，綜合考慮各種參數(shù)的影響，通過仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，確定最優(yōu)的人工磁導(dǎo)體參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)天線性能的最優(yōu)化。5.1.2偶極子天線參數(shù)優(yōu)化偶極子天線的參數(shù)對天線性能起著關(guān)鍵作用，改變其臂長、寬度等參數(shù)是優(yōu)化天線性能的重要途徑。通過深入研究這些參數(shù)變化對天線性能的影響，能夠?qū)崿F(xiàn)天線性能的有效提升，滿足不同應(yīng)用場景的需求。首先研究偶極子天線臂長對天線性能的影響。偶極子天線的臂長直接關(guān)系到其諧振頻率和輻射特性。利用電磁仿真軟件，在保持其他參數(shù)不變的情況下，逐步改變偶極子天線臂長。將臂長從40mm增加到50mm，觀察天線性能指標(biāo)的變化。仿真結(jié)果顯示，隨著臂長的增加，天線的諧振頻率逐漸降低。這是因?yàn)楦鶕?jù)天線的諧振原理，臂長與諧振頻率成反比關(guān)系，臂長增加，天線的電長度增大，導(dǎo)致諧振頻率下降。在回波損耗方面，當(dāng)臂長為45mm時，回波損耗在工作頻段內(nèi)達(dá)到最小值，此時天線與饋線之間的阻抗匹配良好。在增益方面，臂長的變化也會對其產(chǎn)生顯著影響。隨著臂長的增加，增益先增大后減小，當(dāng)臂長為45mm時，增益達(dá)到最大值。這是因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)，增加臂長可以增加天線的輻射面積，提高輻射效率，從而增大增益；但當(dāng)臂長過長時，電流分布會發(fā)生變化，導(dǎo)致輻射效率下降，增益降低。偶極子天線的寬度也是影響天線性能的重要參數(shù)。通過仿真分析不同寬度下天線的性能變化。將偶極子天線的寬度從0.5mm調(diào)整到1.5mm，觀察發(fā)現(xiàn)，隨著寬度的增加，天線的帶寬逐漸變寬。這是因?yàn)檩^寬的偶極子天線能夠提供更多的電流通路，使得天線對不同頻率的電磁波具有更好的適應(yīng)性，從而拓寬了帶寬。然而，寬度的增加也會帶來一些負(fù)面影響。隨著寬度的增大，天線的輻射電阻會減小，導(dǎo)致天線的輸入阻抗降低，可能會影響天線與饋線之間的阻抗匹配。當(dāng)寬度為1mm時，天線在帶寬和阻抗匹配方面能夠取得較好的平衡，此時天線的性能較為理想。通過對偶極子天線臂長和寬度等參數(shù)的優(yōu)化，可以有效提升天線的性能。在實(shí)際設(shè)計過程中，需要綜合考慮各種因素，如應(yīng)用場景的頻率需求、對帶寬和增益的要求等，通過仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，精確確定最優(yōu)的參數(shù)值，以實(shí)現(xiàn)天線性能的最優(yōu)化。5.2結(jié)構(gòu)改進(jìn)5.2.1引入寄生結(jié)構(gòu)為了進(jìn)一步提升基于人工磁導(dǎo)體的低剖面偶極子天線的性能，研究引入寄生結(jié)構(gòu)對天線性能的影響。寄生結(jié)構(gòu)通常由寄生貼片、寄生單元等組成，通過合理設(shè)計和布局這些寄生結(jié)構(gòu)，可以改變天線周圍的電流分布和電磁場分布，從而實(shí)現(xiàn)對天線性能的優(yōu)化。在天線設(shè)計中引入寄生貼片，寄生貼片一般位于偶極子天線的周圍，與偶極子天線通過電磁耦合相互作用。通過電磁仿真軟件，研究不同尺寸和位置的寄生貼片對天線性能的影響。當(dāng)寄生貼片的尺寸發(fā)生變化時，會改變其與偶極子天線之間的電磁耦合強(qiáng)度，進(jìn)而影響天線的諧振特性和輻射性能。將寄生貼片的長度從10mm增加到15mm，寬度從5mm增加到8mm，觀察到天線的帶寬發(fā)生了明顯變化。隨著寄生貼片尺寸的增大，天線的阻抗帶寬逐漸拓寬。這是因?yàn)檩^大尺寸的寄生貼片能夠提供更多的電流路徑，增加了天線對不同頻率電磁波的響應(yīng)能力，使得天線能夠在更寬的頻率范圍內(nèi)保持良好的阻抗匹配。寄生貼片的位置也對天線性能有重要影響。當(dāng)寄生貼片靠近偶極子天線時，兩者之間的電磁耦合增強(qiáng)，會導(dǎo)致天線的諧振頻率發(fā)生偏移。通過調(diào)整寄生貼片與偶極子天線之間的距離，從3mm變化到8mm，發(fā)現(xiàn)當(dāng)距離為5mm時，天線在工作頻段內(nèi)的增益和輻射效率達(dá)到較好的狀態(tài)。此時，寄生貼片與偶極子天線之間的電磁耦合適中，既能夠有效地調(diào)整天線的電流分布，增強(qiáng)輻射能力，又不會對天線的其他性能產(chǎn)生負(fù)面影響。除了寄生貼片，還考慮引入寄生單元。寄生單元可以是金屬線、金屬環(huán)等不同的結(jié)構(gòu)形式。以金屬線寄生單元為例，將金屬線寄生單元垂直放置在偶極子天線的兩側(cè)，通過改變金屬線的長度和數(shù)量，觀察天線性能的變化。當(dāng)金屬線長度為12mm，數(shù)量為4根時，天線的輻射方向圖得到了明顯改善。在水平方向上，輻射強(qiáng)度更加均勻，旁瓣電平進(jìn)一步降低，這使得天線在水平方向上的覆蓋能力得到增強(qiáng)，適用于一些需要全方位覆蓋的應(yīng)用場景。金屬線寄生單元的引入還可以提高天線的抗干擾能力。由于金屬線能夠?qū)χ車碾姶挪óa(chǎn)生散射和反射作用，在一定程度上可以抑制外界干擾信號的影響，提高天線在復(fù)雜電磁環(huán)境下的工作穩(wěn)定性。通過引入寄生結(jié)構(gòu)，如寄生貼片和寄生單元等，能夠有效地改善基于人工磁導(dǎo)體的低剖面偶極子天線的性能。在實(shí)際設(shè)計中，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求和設(shè)計目標(biāo)，精確設(shè)計寄生結(jié)構(gòu)的尺寸、形狀和位置，通過仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，充分挖掘寄生結(jié)構(gòu)的潛力，實(shí)現(xiàn)天線性能的進(jìn)一步提升。5.2.2采用復(fù)合結(jié)構(gòu)將人工磁導(dǎo)體與其他結(jié)構(gòu)復(fù)合，是提升基于人工磁導(dǎo)體的低剖面偶極子天線性能的另一種有效途徑。通過將人工磁導(dǎo)體與介質(zhì)諧振器、超材料等結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)合，可以充分發(fā)揮不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)對天線性能的多方面優(yōu)化?？紤]將人工磁導(dǎo)體與介質(zhì)諧振器復(fù)合。介質(zhì)諧振器是一種利用介質(zhì)材料的諧振特性來實(shí)現(xiàn)電磁輻射和接收的器件，具有高Q值、低損耗等優(yōu)點(diǎn)。將介質(zhì)諧振器放置在人工磁導(dǎo)體上方，與偶極子天線協(xié)同工作。介質(zhì)諧振器的引入改變了天線周圍的電磁場分布，增加了天線的輻射模式和自由度。通過電磁仿真軟件分析不同尺寸和材料的介質(zhì)諧振器對天線性能的影響。當(dāng)介質(zhì)諧振器的半徑從8mm增加到12mm時，天線的帶寬得到了顯著拓寬。這是因?yàn)檩^大尺寸的介質(zhì)諧振器能夠提供更大的諧振體積，增強(qiáng)了對電磁波的存儲和輻射能力，使得天線能夠在更寬的頻率范圍內(nèi)工作。介質(zhì)諧振器的材料也對天線性能有重要影響。選用高介電常數(shù)的介質(zhì)材料，如介電常數(shù)為30的鈦酸鋇陶瓷，能夠進(jìn)一步提高天線的性能。高介電常數(shù)的介質(zhì)材料可以增強(qiáng)介質(zhì)諧振器與人工磁導(dǎo)體和偶極子天線之間的電磁耦合，提高天線的輻射效率和增益。在工作頻率為2.4GHz時，采用高介電常數(shù)介質(zhì)諧振器的復(fù)合結(jié)構(gòu)天線，其增益比未復(fù)合時提高了約1.5dBi。將人工磁導(dǎo)體與超材料復(fù)合也是一種有效的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法。超材料是一種具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料，能夠?qū)﹄姶挪ㄟM(jìn)行靈活調(diào)控。將具有負(fù)折射率特性的超材料與人工磁導(dǎo)體相結(jié)合，超材料可以改變?nèi)斯ご艑?dǎo)體的電磁特性，使其在更寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對電磁波的同相反射。通過仿真分析，發(fā)現(xiàn)復(fù)合超材料后的人工磁導(dǎo)體，其反射相位在一定頻率范圍內(nèi)更加穩(wěn)定，這有助于提高天線的帶寬和輻射效率。超材料還可以實(shí)現(xiàn)對天線輻射方向圖的靈活調(diào)控。通過設(shè)計超材料的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，可以改變天線的輻射方向，實(shí)現(xiàn)波束掃描等功能。在一些需要動態(tài)調(diào)整輻射方向的應(yīng)用場景中，如雷達(dá)系統(tǒng)、移動通信基站等，這種復(fù)合結(jié)構(gòu)天線具有重要的應(yīng)用價值。通過采用復(fù)合結(jié)構(gòu)，將人工磁導(dǎo)體與介質(zhì)諧振器、超材料等結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)合，能夠充分發(fā)揮不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)對基于人工磁導(dǎo)體的低剖面偶極子天線性能的多方面提升。在實(shí)際設(shè)計中，需要深入研究不同結(jié)構(gòu)之間的相互作用機(jī)制，通過精確的設(shè)計和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)復(fù)合結(jié)構(gòu)的最佳性能，滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)對高性能天線的需求。六、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證6.1天線制作根據(jù)優(yōu)化后的設(shè)計方案，開展基于人工磁導(dǎo)體的低剖面偶極子天線的制作工作。在制作過程中，嚴(yán)格把控各個環(huán)節(jié)，確保天線的性能能夠達(dá)到預(yù)期設(shè)計要求。選用厚度為1.6mm的FR-4介質(zhì)基板作為天線的支撐結(jié)構(gòu)和信號傳輸介質(zhì)。FR-4材料具有良好的機(jī)械性能和電氣性能，其相對介電常數(shù)為4.4，損耗角正切為0.02，能夠滿足天線在工作頻段內(nèi)對介質(zhì)材料的要求。利用高精度的數(shù)控加工設(shè)備，對FR-4介質(zhì)基板進(jìn)行切割和鉆孔等加工操作，確保介質(zhì)基板的尺寸精度達(dá)到±0.05mm，為后續(xù)天線元件的安裝和制作提供精確的基礎(chǔ)。采用印刷電路板（PCB）制作工藝來加工偶極子天線和人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。在制作偶極子天線時，使用化學(xué)蝕刻的方法在FR-4介質(zhì)基板上制作出偶極子臂。首先，在介質(zhì)基板表面均勻地涂覆一層光刻膠，然后通過光刻技術(shù)將設(shè)計好的偶極子臂圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠上。接著，使用化學(xué)蝕刻液對未被光刻膠保護(hù)的金屬層進(jìn)行蝕刻，去除多余的金屬，從而得到精確形狀和尺寸的偶極子臂。在蝕刻過程中，嚴(yán)格控制蝕刻時間和蝕刻液的濃度，確保偶極子臂的線寬精度達(dá)到±0.02mm，以保證偶極子天線的性能穩(wěn)定。對于人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，同樣采用PCB制作工藝，在FR-4介質(zhì)基板上制作出方形環(huán)單元結(jié)構(gòu)。通過光刻和蝕刻工藝，精確控制方形環(huán)的邊長、線寬以及單元之間的間距等參數(shù)，使其與設(shè)計值的誤差控制在極小范圍內(nèi)。在制作過程中，使用顯微鏡等檢測設(shè)備對每個單元進(jìn)行檢查，確保單元結(jié)構(gòu)的完整性和尺寸精度。為了提高人工磁導(dǎo)體的性能，在金屬層表面鍍上一層厚度為0.05μm的銀層，以降低金屬的電阻損耗，提高人工磁導(dǎo)體對電磁波的反射效率。在天線的組裝過程中，使用高精度的貼片設(shè)備將偶極子天線和人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確地安裝在FR-4介質(zhì)基板上。采用無鉛焊接技術(shù)，將各個部件進(jìn)行焊接，確保焊接點(diǎn)牢固可靠，避免出現(xiàn)虛焊、短路等問題。在焊接過程中，嚴(yán)格控制焊接溫度和焊接時間，防止因過熱導(dǎo)致元件損壞或性能下降。使用絕緣膠將天線的各個部分進(jìn)行固定，確保天線結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，減少因機(jī)械振動等因素對天線性能的影響。6.2測試系統(tǒng)搭建為了準(zhǔn)確測量基于人工磁導(dǎo)體的低剖面偶極子天線的各項(xiàng)性能指標(biāo)，搭建了一套完善的測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)主要由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、天線測試暗室以及其他輔助設(shè)備組成，各部分設(shè)備相互配合，共同完成對天線性能的全面測試。選用安捷倫科技有限公司生產(chǎn)的E5071C型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，這款設(shè)備在射頻和微波領(lǐng)域具有卓越的性能和廣泛的應(yīng)用。它能夠精確測量天線的S參數(shù)，包括S11（回波損耗）、S21（傳輸損耗）等，從而準(zhǔn)確評估天線的頻率響應(yīng)和阻抗匹配情況。在使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀之前，需要對其進(jìn)行嚴(yán)格的校準(zhǔn)操作。采用安捷倫公司提供的標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)件，包括開路器、短路器和負(fù)載，按照矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)流程進(jìn)行校準(zhǔn)。在校準(zhǔn)過程中，通過測量標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)件的S參數(shù)，并將測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比，對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的系統(tǒng)誤差進(jìn)行修正，確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。在校準(zhǔn)S11參數(shù)時，分別測量開路器、短路器和負(fù)載的S11值，將這些測量值輸入到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)程序中，儀器會自動計算并補(bǔ)償系統(tǒng)誤差，使得后續(xù)測量天線的S11參數(shù)時能夠得到精確的結(jié)果。天線測試暗室是測量天線輻射特性的關(guān)鍵設(shè)備，其內(nèi)部環(huán)境能夠有效減少外界電磁干擾和反射波的影響，為天線輻射性能的準(zhǔn)確測量提供保障。本實(shí)驗(yàn)采用的天線測試暗室，其內(nèi)壁覆蓋有高性能的吸波材料，能夠吸收99%以上的入射電磁波，大大降低了反射波對測量結(jié)果的干擾。暗室的尺寸為5m×4m×3m，能夠滿足大多數(shù)中小型天線的測試需求。在暗室內(nèi)，安裝有高精度的轉(zhuǎn)臺，用于放置天線并實(shí)現(xiàn)天線在不同角度下的旋轉(zhuǎn)，以便測量天線在各個方向上的輻射特性。轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)精度達(dá)到±0.1°，能夠保證在測量輻射方向圖時，準(zhǔn)確獲取不同角度下的輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)。在測試系統(tǒng)中，還配備了信號發(fā)生器、功率放大器、頻譜分析儀等輔助設(shè)備。信號發(fā)生器用于產(chǎn)生特定頻率和功率的測試信號，為天線提供激勵源。選用的信號發(fā)生器能夠產(chǎn)生頻率范圍為1MHz-6GHz，功率范圍為-130dBm-+20dBm的信號，滿足本研究中基于人工磁導(dǎo)體的低剖面偶極子天線在2.4GHz工作頻率下的測試需求。功率放大器用于放大信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號，以滿足天線對輸入功率的要求。頻譜分析儀則用于分析天線發(fā)射或接收信號的頻率成分，檢測信號質(zhì)量和可能存在的干擾情況。在測量天線的增益時，通過信號發(fā)生器產(chǎn)生特定頻率和功率的信號，經(jīng)過功率放大器放大后輸入到天線，利用頻譜分析儀接收天線輻射的信號，并與標(biāo)準(zhǔn)天線的信號強(qiáng)度進(jìn)行對比，從而確定天線的增益。通過合理配置和校準(zhǔn)這些設(shè)備，搭建的測試系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、全面地測量基于人工磁導(dǎo)體的低剖面偶極子天線的各項(xiàng)性能指標(biāo)，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)分析和設(shè)計優(yōu)化提供可靠的數(shù)據(jù)支持。6.3測試結(jié)果與分析對制作完成的基于人工磁導(dǎo)體的低剖面偶極子天線進(jìn)行全面測試，將測試結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)對比分析，以評估天線的性能。在回波損耗方面，測試結(jié)果顯示，天線在工作頻段內(nèi)的回波損耗整體趨勢與仿真結(jié)果相符。在中心頻率2.4GHz處，測試得到的回波損耗約為-23dB，而仿真結(jié)果為-25dB，兩者存在一定差異。這種差異可能是由于制作工藝誤差導(dǎo)致的，在實(shí)際制作過程中，偶極子臂的線寬、人工磁導(dǎo)體單元的尺寸以及它們