【摘 要】
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随着电子信息技术的不断发展及其在各行各业的广泛应用,无线通信、雷达探测、片间通信等应用场景对天线的要求不断提高,常规天线难以满足需求。近年来,人工磁导体等新型电磁结构在微波毫米波与太赫兹天线领域的应用成为研究热点。在可穿戴设备领域的信息传输中,天线是关键模块之一,如何使其在人体表面稳定工作以及怎样保证天线对人体的辐射安全性,都是非常重要的问题;片上天线因集成于芯片之上而具有缩减系统尺寸等显著优点,
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随着电子信息技术的不断发展及其在各行各业的广泛应用,无线通信、雷达探测、片间通信等应用场景对天线的要求不断提高,常规天线难以满足需求。近年来,人工磁导体等新型电磁结构在微波毫米波与太赫兹天线领域的应用成为研究热点。在可穿戴设备领域的信息传输中,天线是关键模块之一,如何使其在人体表面稳定工作以及怎样保证天线对人体的辐射安全性,都是非常重要的问题;片上天线因集成于芯片之上而具有缩减系统尺寸等显著优点,但怎样减小硅基工艺对片上天线辐射带来的负面影响也是需要解决的难点问题。在此背景下,本文主要研究应用于无线体域网的可穿戴天线与毫米波高频片上天线。通过对反射相位零点、带宽等理论分析,设计不同的人工磁导体结构以提升天线的应用性能。致力于解决可穿戴天线中加载人工磁导体降低电磁辐射、片上天线中加载人工磁导体减少较厚的硅基对天线的影响等问题。本文主要研究工作如下:1.通过对单频小型化人工磁导体与平面缝隙天线进行综合分析研究,设计了一种5G可穿戴天线。针对环形人工磁导体反射相位带宽过窄的问题,在上表面引入正交椭圆枝节,同时对地板进行类似结构缩比开槽,实现了一种反射相位带宽完全覆盖联通5G频段的小型化人工磁导体。将其组成3×4阵列,设置于天线下方,测试了其自身指标与可穿戴性能。天线1g标准的比吸收率（Specific Absorption Rate,SAR）大幅减小,远低于人体安全标准限值。实测结果满足要求。2.设计了一种基于人工磁导体的双频可穿戴天线,由双频宽带人工磁导体与具有陷波特性的平面单极子天线组成。通过上表面引入枝节“X”将原有双环型人工磁导体结构的高频反射相位带宽提升72%,使其完全覆盖ISM（Industrial Scientific Medical）医疗频段范围。采用陷波技术实现的双频天线在结合2×3的人工磁导体结构后,模拟测试了其可穿戴性能,如弯曲形态下的性能、天线对人体辐射安全等指标。3.设计了一种基于人工磁导体的毫米波高频段片上天线。基于标准CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）工艺设计了一款结构简单的沙漏型人工磁导体,分析了电磁参数及不同金属层对人工磁导体反射特性的影响。通过GSG探针馈电的片上天线在加载4×4人工磁导体结构后,获得了60.9GHz的宽带,同时增益也大幅提高。由于整体片上天线的小尺寸,使其在单片毫米波芯片集成中具有一定的优势。本文通过分析可穿戴与片上两种场景中天线存在的共性问题,在不引入额外加工条件的情况下,探讨了人工磁导体结构具有的同相反射特性在提升天线增益、降低天线与严重影响其辐射的介质之间的耦合度等方面起到的重要作用。最终在两种场景下设计了合适的人工磁导体结构,加载后的天线均得到了较大的性能提升。
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