新材料与新体制天线技术

无论是5G通信、泛在智能物联网、车联网、星联网的逐步推进和普及，还是工艺和材料的迭代升级，能够促使天线、微波、毫米波相关技术快速发展，并不断渗透到智慧城市、工业物联网、精 准医疗、智慧农业等垂直应用领域，也将催生出更多新兴的业务和商业模式，进而深刻改变人类社会。在此过程中，出现了大量的新体制、新材料、新工艺、新场景的天线与微波技术。

本书主要介绍石墨烯、超材料以及各类功能材料在天线系统中的应用，人工电磁材料在大规模高密度天线阵列及透镜天线领域的应用，以及增材制造等新的加工制造工艺给天线发展带来的新潜力。本书旨在展现在天线与微波技术中出现的新体制、新技术、新方法、新材料、新工艺。希望给读者新的视野、方法和经验。

无论是5G通信、泛在智能物联网、车联网、星联网的逐步推进和普及，还是工艺和材料的迭代升级，能够促使天线、微波、毫米波相关技术快速发展，并不断渗透到智慧城市、工业物联网、精 准医疗、智慧农业等垂直应用领域，也将催生出更多新兴的业务和商业模式，进而深刻改变人类社会。在此过程中，出现了大量的新体制、新材料、新工艺、新场景的天线与微波技术。

本书主要介绍石墨烯、超材料以及各类功能材料在天线系统中的应用，人工电磁材料在大规模高密度天线阵列及透镜天线领域的应用，以及增材制造等新的加工制造工艺给天线发展带来的新潜力。本书旨在展现在天线与微波技术中出现的新体制、新技术、新方法、新材料、新工艺。希望给读者新的视野、方法和经验。

赵鲁豫 博士，西安电子科技大学副教授、博士生导师。于2014年获得香港中文大学博士学位，同年开始在香港中文大学进行博士后研究。于2016年到西安电子科技大学任教。现任天线系统产业联盟专 家委员会理事、中国通信学会高 级会员、天线与射频技术委员会委员、IEEE高 级会员。常年担任IEEE Transactions on Antennas and Propagation、International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering等期刊的审稿人，现任IEEE Access副主编。主要研究方向为多天线系统、微波无源集成电路及天线微波测量。共发表SCI检索论文近50篇，其中ESI高被引论文4篇；授权美国发明专利3项、中国发明专利2项，申请专利40余项；出版译著1部、专著1部。主持国家重点研发计划项目子课题1项，国家自然科学基金青年科学基金项目1项，国家重点实验室基金项目1项，装备预研共用技术项目2项，陕西省重点研发计划项目1项。

第1章 概述 001

1.1　新材料概述　002

1.2　基于新材料的天线及其加工工艺演进　003

1.2.1　液态金属天线　003

1.2.2　纳米材料天线　004

1.2.3　石墨烯材料天线　004

1.2.4　新型天线加工工艺　005

1.2.5　超材料、超构材料天线技术　006

1.3　新材料与5G技术演进　007

1.3.1　LCP与MPI天线的趋势　008

1.3.2　印制电路板高频材料的国产替代　010

1.3.3　电子陶瓷的发展　010

1.3.4　氮化镓半导体材料迎机遇　011

参考文献　011

第2章　石墨烯材料及其在天线技术中的应用　013

2.1　石墨烯超表面及其在天线技术中的应用　014

2.1.1　超表面　014

2.1.2　石墨烯超表面在天线中的应用　014

2.1.3　可调石墨烯超表面　018

2.1.4　频率选择表面　020

2.1.5　其他　022

2.2　基于石墨烯的太赫兹偶极子天线　025

2.2.1　石墨烯的等效表面阻抗　025

2.2.2　基于石墨烯的偶极子天线仿真分析　027

2.3　基于石墨烯的频率可重构天线　030

2.3.1　基于石墨烯的频率可重构天线研究背景及意义　030

2.3.2　频率可重构天线理论　031

2.3.3　基于石墨烯的频率可重构天线实例　032

2.3.4　未来发展趋势及待解决的问题　039

2.4　基于石墨烯的方向图可重构天线　039

2.4.1　基于石墨烯的方向图可重构天线研究背景及意义　039

2.4.2　可重构天线理论　040

2.4.3　可重构天线实例　041

2.4.4　未来发展趋势及待解决的问题　051

2.5　基于石墨烯的太赫兹平面反射阵天线　052

2.5.1　平面反射阵基本原理　052

2.5.2　基于石墨烯的反射阵单元特性分析　053

2.5.3　基于石墨烯的反射阵天线分析　057

2.6　石墨烯的制备和规模化量产　060

2.6.1　石墨烯的研究背景及意义　060

2.6.2　微观石墨烯的制备　061

2.6.3　宏观石墨烯的制备　071

参考文献　075

第3章　超材料和人工电磁材料及其在天线技术中的应用　081

3.1　超材料的技术背景　082

3.2　超材料的国内外研究现状　085

3.2.1　利用超材料实现天线的小型化　086

3.2.2　利用超材料实现天线的低剖面　090

3.2.3　利用超材料实现天线的去耦合　092

3.2.4　利用超材料实现其他功能　098

3.3　电磁超材料的性质及分析试验方法　099

3.3.1　电磁超材料　099

3.3.2　电磁超材料的特性　102

3.3.3　超材料的数值研究方法　105

3.4　人工介质与人工介质层　109

3.4.1　人工介质及人工介质层基本概念　109

3.4.2　人工介质及人工介质层的基本分析方法　111

3.4.3　人工介质的洛伦兹定理分析　111

3.4.4　ADL等效参数提取　113

3.5　基于人工介质层的大规模天线阵列　116

3.5.1　小型化天线单元设计　117

3.5.2　1×3双极化直线阵设计　122

3.5.3　6×6 MIMO阵列ADL去耦合设计　127

3.6　本章小结　139

参考文献　139

第4章　人工电磁透镜天线　147

4.1　透镜天线类型与基本原理　148

4.1.1　均匀媒质透镜天线　148

4.1.2　基于相移表面的平面透镜天线　152

4.1.3　透镜天线设计的关键因素　156

4.2　人工材料透镜　159

4.3　基于相移表面的透镜天线　166

4.4　机械波束扫描天线与波束切换平面透镜天线　170

4.4.1　机械波束扫描天线　170

4.4.2　波束切换平面透镜天线　172

4.5　电控可重构平面透镜天线　173

4.6　结束语　175

参考文献　175

第5章　基于功能材料的机械天线技术　179

5.1　机械天线基本原理及其发展　180

5.1.1　传统低频天线　180

5.1.2　机械式低频天线的提出　182

5.1.3　机械天线简述　183

5.2　功能材料及其换能效应　184

5.2.1　能量转换与功能材料　184

5.2.2　压电材料　185

5.2.3　磁致伸缩材料　192

5.3　基于磁性材料的机械天线　200

5.3.1　磁场运动天线基本原理　200

5.3.2　永磁材料研究进展　202

5.3.3　永磁式机械天线进展　206

5.4　基于驻极体/极性材料的机械天线　209

5.4.1　驻极体天线基本原理　209

5.4.2　驻极体材料研究进展　211

5.4.3　驻极体机械天线进展　214

5.5　声波激励机械天线　217

5.5.1　声波激励电场式机械天线　217

5.5.2　声波激励磁电式机械天线　220

参考文献　222

第6章　液态金属天线　231

6.1　液态金属简介　232

6.2　液态金属天线制造工艺及控制方法　233

6.2.1　微流体技术与液体泵技术　233

6.2.2　基板封装技术　234

6.2.3　3D打印技术　234

6.2.4　介质3D打印技术　236

6.3　液态金属天线可重构性能研究进展　237

6.3.1　频率可重构的液态金属天线　237

6.3.2　极化可重构的液态金属天线　238

6.3.3　方向图可重构的液态金属天线　240

6.3.4　混合可重构的液态金属天线　240

6.3.5　基于重力驱动的液态金属频率可重构天线　243

6.4　液态金属天线与传统天线的对比　244

6.4.1　液态金属天线的特征总结　245

6.4.2　液态金属天线的痛点和发展方向　245

参考文献　246

第7章　增材制造技术及其在微波天线领域中的应用　247

7.1　增材制造在射频微波领域的应用进展　248

7.2　增材制造的技术体系和材料体系　251

7.2.1　线型的典型工艺　252

7.2.2　材料挤压型的典型工艺　255

7.2.3　粉末烧融的典型工艺　257

7.2.4　定向能量沉积　267

7.2.5　薄板层压的典型工艺　269

7.2.6　材料喷射的典型工艺　271

7.2.7　光聚合的典型工艺　277

7.2.8　黏合剂喷射的典型工艺　283

7.2.9　常见3D打印材料　286

7.3　基于介质打印的天线加工实现方案　294

7.4　基于金属打印的天线加工实现方案　297

7.5　结束语　304

参考文献　305

附录A　基站天线外罩材料及选择标准　307

无论是5G通信、泛在智能物联网、车联网、星联网的逐步推进和普及，还是工艺和材料的迭代升级，能够促使天线、微波、毫米波相关技术快速发展，并不断渗透到智慧城市、工业物联网、精 准医疗、智慧农业等垂直应用领域，也将催生出更多新兴的业务和商业模式，进而深刻改变人类社会。在此过程中，出现了大量的新体制、新材料、新工艺、新场景的天线与微波技术。

本书主要介绍石墨烯、超材料以及各类功能材料在天线系统中的应用，人工电磁材料在大规模高密度天线阵列及透镜天线领域的应用，以及增材制造等新的加工制造工艺给天线发展带来的新潜力。本书旨在展现在天线与微波技术中出现的新体制、新技术、新方法、新材料、新工艺。希望给读者新的视野、方法和经验。

赵鲁豫 博士，西安电子科技大学副教授、博士生导师。于2014年获得香港中文大学博士学位，同年开始在香港中文大学进行博士后研究。于2016年到西安电子科技大学任教。现任天线系统产业联盟专 家委员会理事、中国通信学会高 级会员、天线与射频技术委员会委员、IEEE高 级会员。常年担任IEEE Transactions on Antennas and Propagation、International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering等期刊的审稿人，现任IEEE Access副主编。主要研究方向为多天线系统、微波无源集成电路及天线微波测量。共发表SCI检索论文近50篇，其中ESI高被引论文4篇；授权美国发明专利3项、中国发明专利2项，申请专利40余项；出版译著1部、专著1部。主持国家重点研发计划项目子课题1项，国家自然科学基金青年科学基金项目1项，国家重点实验室基金项目1项，装备预研共用技术项目2项，陕西省重点研发计划项目1项。