作者：刘悦阳 朱润泽 闫佳文 孙家阳 精密仪器系
指导老师：李杨 精密仪器系
关键词：零折射率 高方向性 微波天线
摘要
本项目基于一种宽带零折射率超构材料，实现多功能微波天线，该天线可作为一种高方向性探测天线。我们通过数值仿真软件设计了一种等效折射率为零的超构材料，该超构材料在7.9-8GHz的频带内具有近似为零的折射率。通过控制材料的面外辐射，我们能够实现一个近似完美平面波的出射波，从而具备极佳的方向性。在仿真结果中，我们设计出了可弯折的零折射率微波天线以适应无线基站、微波雷达等不同应用场景。基于仿真，我们制作出了相同的成品
零折射率超构材料
原理是基于香港大学陈子亭教授在2011年指出的光子晶体等效零折射率衍生出的：当超构材料在特定频率下，于布里渊区中心由于偶然三重简并产生狄拉克锥时，该晶体针对此波长的等效折射率为零。由于其折射率近似为零，根据麦克斯韦方程组，波在超构材料中的相速度为无穷大，即输入波在零折射率频段内时，整个材料中都具有完全相同的相位，通过控制材料的面外辐射，我们能够实现一个近似完美平面波的出射波
数值仿真与成品
在仿真结果中，我们设计出了可弯折的零折射率微波天线，使用了氧化铝、氧化锆、BST陶瓷三种物质设计出了不同尺寸的零折射率超构材料，对其进行了方向性以及等效折射率的仿真模拟，其结果满足零折射和高方向性的要求。其中，BST陶瓷具有极高的介电常数（≈1000），大大减小了天线的体积和尺寸，且对天线性能无显著影。当使用薄金属或具有金属内衬的柔性材料作为外壳时，该天线可以进行弯折，以适应不同需求。我们将其中一种设计制作成了成品。此天线的外形为一个245*185*30mm的扁平金属方盒，外壳为铝合金制成，顶部开有5*5的圆孔，用于信号辐射。内部为一个5*5的陶瓷圆柱阵列，材质为99氧化铝陶瓷，与金属外壳相互配合连接。顶板一侧开有小孔，焊接有一个SMA接口，用于微波信号输入，在TM极化条件下，可以成功讲微波信号耦合进陶瓷阵列中并向外辐射。
天线方向性仿真结果
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实际样品
前景展望
可以预见，该种天线在民用通信和军事探测领域都会有非常广阔的应用，尤其是在雷达探测、定向通信等领域，其高方向性远远强于现有产品。除此之外，对于此类超构材料，只需要等比改变其尺寸，即可改变其工作频率，且可以利用更高介电常数的材料，继续缩小天线的体积。这种设计可以随通信频率的更迭而不断升级，可以满足5G甚至是更远的未来的通信技术。
