移动终端设备上的方向图可重构共形天线研究

As the development of wearable device and Internet of things, the sizes of the antennas on the mobile terminal device become smaller and smaller. Moreover, in lots of applications conformal designs are needed. The design challenges of these antennas include limited space, coupling with conformal carrier which influence the performance of antennas and the influences are always changing over time. In this research project, characteristic modes and multi-port network model are utilized to design pattern reconfigurable conformal antennas, passive arrays and chassis mode antennas. The characteristic modes of different conformal metal surface are extracted first, and then the feed network and load network are synthesized according to the needed patterns. At last the DC bias network is added for the controlling of the reconfigurable components. The designed antennas can switch the operating states to adapt to the change of the electromagnetic environment and the needed data rate. And at the same time, the designs make full use of the space of the device and the peripheral equipment to improve the performances.

随着可穿戴设备、物联网等技术的发展，移动终端设备天线尺寸越来越小，并且需要与载体共形。一方面天线性能受到设备尺寸的限制，另一方面天线与载体间的耦合、载体的曲率半径带来的天线内部结构的耦合等都将影响天线性能，并且天线所处的信道环境、电磁耦合情况都在随时改变。本课题基于特征模理论和多端口网络模型设计方向图可重构共形天线单元、寄生阵列天线以及地板模式天线。首先对终端及其周边配件的各种可能的不同形状不同曲率半径的金属结构提取特征模式，并根据所需的不同方向图综合出不同馈电方式或加载方式，并设计好直流偏置电路以对可重构部件进行控制。可重构天线可以在若干种可能的状态中切换以适应电磁环境与数据率需求的变化，同时，该设计能充分利用设备及其周边配件的空间尺寸提高天线的性能。

随着移动通信、可穿戴设备等无线通信新技术的发展，对天线性能的要求日益提升。本项目从特征模式理论出发，旨在充分利用设备的尺寸提升天线的性能。首先对超表面等周期结构进行了深入的分析，得出其色散曲线和Bloch阻抗等电磁传输特性，并以此为基础结合特征模式理论分析和设计新型的天线。设计了宽频带低剖面的超表面线极化天线、宽带圆极化天线、宽波束的圆极化SIW天线、宽带移相器等，仿真与实测表明，所设计的新型器件具有良好的性能。理论和设计成果可以运用于各种移动通信场景，提升系统性能，如用于设计“智能反射表面”以提升移动通信系统容量。同时对超表面等结构的电磁传播特性有了更深入的探索，可用于指导网格透明天线、碳纳米管、石墨烯等新型材料天线的设计。