摘 要

本文提出了一种可重构的基于介质集成波导(Substrate Integrated Wave-guide,SIW)的超材料漏波天线，这种天线的基础架构是基于介质集成波导的超材料漏波天线的半模结构。本文提出在半模结构上表面金属上的交指电容的两极通过金属通孔连接至结构的下表面金属的方法，能够实现天线与集总器件连接。在金属和金属之间加载可调电容就是左手可调电容，在金属和地之间加载可调电容就是右手可调电容。本文提供的仿真结果证明通过调节可调电容使整个色散曲线发生平移，从而改变天线的频段范围。对应可调电容值大小为 , ,和，可重构单元结构的平衡点分别为8GHz、7GHz、6GHz；频段范围分别为6-12GHz、5-11GHz、4-10GHz。这样的一个天线结构通过调节电压能够实现多个天线的功能，相当于多个天线的叠加，不仅能够减少不同频段范围天线建设的成本，也能减小天线过多带来的电磁干扰。

关键词：介质集成波导；超材料；漏波天线；可重构

Abstract

In this paper, a re-configurable meta-material leaky antenna based on substrate integrated wave-guide is proposed. The method of connecting the two poles of the ac capacitor on the surface metal of the half-mode structure to the lower surface metal of the structure through the metal through-hole is proposed, which can connect the antenna and the aggregate device. To load adjustable capacitance between metal and metal is left hand adjustable capacitance. To load adjustable capacitance between metal and ground is right hand adjustable capacitance. The simulation results provided in this paper prove that the entire dispersion curve is shifted by adjusting the adjustable capacitance, thus changing the frequency range of the antenna. The corresponding adjustable capacitance values are , ,and, and the equilibrium points of the re-configurable unit structure are 8GHz, 7GHz and 6GHz respectively. The frequency range is 6-12GHz, 5-11GHz and 4-10GHz respectively. Such an antenna structure by adjusting voltage can realize the function of the multiple antenna, is equivalent to the superposition of multiple antenna, not only can reduce the cost of the construction of the different frequency range antenna, also can reduce the antenna too much electromagnetic interference.

Key Words: Substrate integrated wave-guide,Left-hand material,Right/left-hand transmission line,Leaky-wave antenna,Re-configurable

目 录

第1章 绪 论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本文研究内容 3

第2章 复合左右手传输线理论 3

2.1 左手材料 4

2.2 麦克斯韦方程组 5

2.3 复合左右手传输线的等效分布参数模型 7

第3章 基于介质集成波导的超材料结构与特性 12

3.1 单元结构 13

3.1.1 等效电路 13

3.1.2 色散曲线 13

3.2 馈电方式 15

3.3 端口设置 15

3.4 周期结构 16

3.4.1 一般漏波天线理论 16

3.4.2 布洛赫阻抗 18

3.5 小结 18

第4章 基于介质集成波导的可重构电磁超材料理论研究 20

4.1 基于介质集成波导的超材料结构理论研究和分析 20

4.2 基于介质集成波导的超材料结构的可重构理论及物理实现 21

4.3 可调元件理论分析和准确电路模型建立 22

4.4 基于介质集成波导的超材料结构的可重构天线设计与实现方案 23

4.5 仿真过程与结果 24

4.6 小结 32

第5章 结 论 33

参考文献 34

致 谢 36

第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

漏波天线具有宽频带、能进行频率扫描等特点，因此被广泛应用到生活中。随着技术的发展，漏波天线的结构也在不断优化，从基于封闭式结构到基于平面波导结构（包括微带、共面波导、槽线）再到基于介质集成波导技术，在结构方面，逐渐向小轮廓、低成本、易与平面电路集成的方向发展；但在辐射特性方面，传统的漏波天线存在很多不足，单一结构的漏波天线只能将能量福射到前向四分之一区域，周期性结构的漏波天线由于引入了空间谐波可以产生后向辐射，但辐射角度很小，方向性差，很难实现侧边的辐射，且只能在跳变的角度上进行辐射，这些不足在一定程度上限制了漏波天线的发展。

自从2004年，Tatsuo Itoh 和G.V. Eleftheriades教授提出复合左右手结构的电磁超材料，它成为全球的一大热门研究方向^[1]。由于这种结构具有与传统介质正的介电常数和正磁导率的物理特性相反，介电常数和磁导率为负，所以这种左右手结构称为超材料。研究员们在此基础上提出了各种基于介质集成波导的超材料结构，这种结构逐渐应用在滤波器等无源器件、漏波扫描天线、有源器件、小型化谐振天线和阵列天线等方面。

其中在漏波扫描天线应用方面，这种新型的基于介质集成波导的超材料（复合左右手结构）的漏波天线，扫描角度范围宽，实现侧边福射，从而拓展了漏波天线的应用范围。同时，也为漏波天线的小型化提供了新的可能，为漏波天线技术带来了新的发展空间。利用基于介质集成波导技术的超材料漏波天线，目前虽然已经提出很多种结构类型，但是没有实现可调的功能，自由度低；实物做出以后就无法调整，交指电容部分对仪器精度要求很高，一旦由于结构有误差，就会引起特性变差。本文提出了在基于基质集成波导的超材料结构中加入可调电容，不仅方便天线性能的微调，也能够通过改变电容改变平衡点的大小，从而改变天线工作频段范围。