● 摘要
随着科学技术的不断进步，无线通信在人们的生产和生活中正发挥着越来越重要的作用。在通信智能化发展的趋势下，作为无线通信系统重要组成部分的天线技术也面临着新的挑战。为了满足现代通信系统的大容量、多功能和超宽带要求，特性参数可改变的可重构天线正受到越来越多的重视，已成为天线研究领域的前沿热点课题。其中，具有可重构特性的周期结构不仅可以实现空间滤波特性的控制和改变，满足多样化的应用需求，还能灵活利用周期结构独有的电磁特性，对具有特殊功能的可重构天线进行研究和设计。本论文针对加载有源器件的两种重要周期结构——频率选择表面（Frequency Selective Surface，简称FSS）和电磁带隙（Electromagnetic Band Gap，简称EBG）结构进行了全面研究，提出了几种具有新特性的有源周期结构，并在此基础上研究设计了不同应用需求下具有新型电磁特性的可重构天线，在无线通信和卫星导航领域具有重要的应用价值。
首先，论文针对波束扫描式方向图可重构天线的设计需求，采用反射与透射模式可切换的有源FSS（Active FSS，简称AFSS）的结构形式开展研究。对单元结构、尺寸参数和馈电线路设计等方面的研究表明，在两种工作模式下开槽型比贴片型AFSS都具有更好的滤波特性，从而在波束转换与扫描天线的设计中也更具优势。开槽型AFSS也有更好的双频扩展能力，因此论文提出了三“H”形”和“H”-矩形单元两种新的双频段模式可调的开槽型AFSS，以及基于双层结构的新型缝隙隔离式馈电方法。该设计减少了复杂馈电线路对FSS性能的影响，实现了工作模式在2.5GHz和5.0GHz的双频独立控制，同时具有透射模式下的低插入损耗和反射模式下的高反射系数等高性能的滤波特性。
论文进一步针对两种不同需求的波束控制应用，设计了基于开槽型AFSS的新型波束控制与扫描天线。第一种设计工作在无线局域网络（Wireless Local Area Network，简称WLAN）的2.4-2.5GHz频段内，通过控制圆柱面AFSS上PIN二极管的通断配置，首次实现了宽窄定向波束两种工作模式的电控切换，以及圆周上的波束扫描功能。其中窄波束模式的扫描角分辨率（半功率波束宽度为47°）较现有报道的最好结果（半功率波束宽度为60°）有了显著提高，而宽波束模式（半功率波束宽度为145°）可以单次覆盖几乎半个圆周上的用户。第二种设计将AFSS应用于无线传感网络（Wireless Sensor Network，简称WSN），利用H形开槽AFSS实现了约50mm的小尺寸WSN节点的定向波束扫描功能。
着眼于EBG结构对电磁波的反射相位特性，论文设计了一种新型双极化的频率可重构有源EBG（Active EBG，简称AEBG）。该设计基于双层结构，利用高阻值表贴电阻的交流隔离特性及其在对称式馈电结构中的直流连续性为变容二极管提供偏置，避免了使用过孔或其它复杂的馈电线路，加工方便。该AEBG结构首次实现了对双极化入射波反射相位的完全独立控制，同时具有理想的极化对称性。
基于上述双极化的AEBG（Dual Polarized Active EBG，简称DP-AEBG）结构，论文又提出了可用于多个卫星导航系统的新型可重构天线，具有非常重要的应用前景。该天线不仅可以在40%相对带宽内的任意频点上获得圆极化波，还具有左右旋圆极化可重构的功能。在实际应用中，天线的频率和极化可重构功能都通过调节变容二极管的偏置电压来实现，具有快速方便的调节能力。该天线可以显著增加卫星导航系统的多功能性和灵活性，对于提高系统性能具有重要意义。