一種基于超材料的小型化寬帶微帶天線

武警工程大學 何楊炯武警工程大學理學院 張世全武警工程大學 李雪健

一種基于超材料的小型化寬帶微帶天線

武警工程大學 何楊炯
武警工程大學理學院 張世全
武警工程大學 李雪健

【摘要】分別將創新設計的“正方形”和“四方形”超材料單元刻在普通微帶天線的輻射貼片和接地板上，設計了工作在3.66GHz-14.42GHz的一種小型化寬帶高增益微帶天線。與原始的天線相比，新型天線的諧振中心頻率降低了34.8%，相對帶寬從3.76%擴展到229.9%，同時保持了良好的增益。實物測試結果與仿真結果吻合較好。因為超材料的左手傳輸特性影響了微帶天線介質基板的等效媒質參數，導致天線的輻射場主要集中在水平方向，而不是傳統的微帶天線的垂直方向。

【關鍵詞】小型化；微帶天線；寬帶；超材料

0 引言

實現天線的小型化一直是科研工作者的研究熱點，常用的方法包括加載無源集總元件、加載特殊材料基板、增加接地板等。這些研究都是為了尋求在不犧牲天線的帶寬和增益的情況下減小天線的尺寸的途徑。自從超材料理論的提出和證實后［1］，基于超材料的天線性能越來越得到重視［2］［3］。研究發現［4］，利用超材料的后向波特性，可以設計出遠小于半波長的諧振腔，即天線諧振尺寸無須滿足半波長條件，而是由左手介質與傳統介質的填充比決定。利用這一特性實現天線小型化設計成為新的研究熱點。本文利用創新設計的“正方形”和“四方形”超材料單元分別蝕刻在普通微帶天線的輻射貼片和接地板上，仿真和測試證明了新型天線不僅達到了小型化目的，還大大拓展了帶寬，同時保持了良好的增益。

圖1（a） 天線俯視圖

圖1（b） 接地板

圖1（c） 天線單元格

圖1（d） 基板單元格

1 天線的設計

原型天線的設計參考文獻［5］，將天線基板仍選擇介電常數εr=2.2的Duroid 5880，厚度h由0.794mm改為1mm。在傳統的微帶天線的基礎上，地板周期蝕刻“四方形”超材料單元，輻射貼片上以3×4周期蝕刻新型的“正方形”超材料單元，得到新型天線如圖1所示。為了使新型天線和原型天線在饋電輸入能量上保持一致，在饋電微帶線下方和四周沒有蝕刻超材料單元。天線尺寸大小是：Lx=28mm，Ly=32mm，輻射貼片L1=12mm，L2=16mm，饋電微帶線的寬是s=2.25mm，長p=12mm，W1=9.875mm，W2=8mm，T=12mm，接地板上的條形縫隙的寬度g=0.6mm。圖1（c）為圖1（a）中天線輻射貼片中截取的一個超材料單元，其規格是a1=4mm，a2=3.6mm，a3=3mm，。圖1（d）為圖1（b）中接地板中截取的一個超材料單元，其規格是b1=4mm，b2=1.5mm，b3=0.3。微帶天線的負載阻抗為50Ω。

因為超材料在傳播電磁波的相速（vp）和群速（vg）方向相反，電場E、磁場H、波矢量k滿足左手定則，而不是常規介質中的右手定則，波矢量k與波印廷矢量S的方向相反，具有左手傳輸特性和后向波特性［4］，能在不改變天線初始尺寸的前提下，降低了天線的諧振中心頻率。

分析新型天線結構可以看到，天線輻射貼片和接地板分別蝕刻“正方形”和“四方形”超材料單元圖案起了關鍵性的作用。根據Babinet原理在超材料設計中的應用［6］，天線輻射貼片和接地板耦合形成一個電容電感C-L等效電路（如圖2所示），天線串聯了N個線元等效電路P，新型超材料單元對介質基底的等效媒質參數產生了強烈的影響，有效地增加天線的帶寬，并且誘導后向波沿輻射貼片所在的平面傳播。因此，沿貼片方向的輻射能量顯著增強。同時，由文獻［4］的天線小型化理論可知，天線將突破半波長的限制，諧振頻率將向低頻偏移，同時也會對天線的輻射性能產生影響。

圖2 線元等效電路圖

2 天線性能分析

利用基于電磁場有限元法的三維電磁仿真軟件Ansoft HFSS進行仿真分析。天線的回波損耗和駐波比仿真如圖3和圖4所示。

圖3 天線回波損耗S11

圖4 天線駐波比VSWR

從圖3可以看出，根據仿真數據，未在接地板和輻射貼片上蝕刻圖案的初始原型天線（紅色線）的諧振中心頻率為7.18GHz，S11值低于-10dB的帶寬為7.04GHz-7.31GHz，共0.27GHz。加載了超材料單元的新型天線帶寬為3.66-14.42GHz，共10.76GHz，是原天線帶寬的39.8倍，新型天線的中心頻率從原天線的7.18GHz降到4.68GHz，降低34.8%。而且新型天線回波損耗的最低點達-37.67dB，比原天線的回波損耗最低值-25.30dB降低12.74dB。從圖4中給出的駐波比圖可以看出，新型天線VSWR值在4.18-14.38GHz的帶寬中，約一半都在1.5以下。低的駐波比值表明新型天線輻射效率較高，損耗較小。

由于超材料的左手傳輸特性，新型天線最大輻射方向是在水平方向而不是傳統微帶天線的垂直方向［7］［8］。為證實天線的這一特性，在工作帶寬內隨機選取了四個頻點，分別為4GHz、6GHz、11GHz和13GHz，圖5給出了天線E、H面的仿真圖，圖6給出了仿真得到的天線三維輻射方向圖。圖5（b）、（c）、（d）清楚顯示出，在6GHz、11GHz和13GHz頻點，天線輻射能量主要集中在約-90°方向，而頻率為4GHz時，從圖5（a）中可以看出，天線并沒有這樣的特性，這是因為在4GHz時，超材料并沒有表現出左手特性。

圖5（a） 4GHz，仿真 圖5（b） 6GHz，仿真

圖5（c） 11GHz，仿真 圖5（d） 13GHz，仿真

圖6（a） 4GHz

圖6（b） 6GHz

圖6（c） 11GHz

圖6（d） 13GHz

可以看到，由于天線受到超材料左手傳輸特性的影響，天線同一頻點的增益峰值并沒有像一般的天線那樣全部出現在E面或H面，這是正常的現象。另外，天線在工作頻段內的增益大致隨著頻率的增加而增加，原因是天線的原尺寸是為用于工作在諧振中心頻率為7.18GHz而設計，對于新型天線的低頻段，天線的輻射特性為全向，分散了能量，因此增益峰值較低。在高頻段由于天線的端射特性，能量較集中，則能保持高增益。

3 結束語

本文利用一種新型的超材料單元，設計了一種新型的微帶天線，經過仿真分析和實物測試，證明了新型天線比原來的天線的諧振中心頻率降低了44.8%（從7.83GHz降低到4.68GHz），達到較好的小型化目的，而且讓帶寬從270MHz（7.04GHz-7.31GHz）擴展到10.76GHz（3.66GHz-14.42GHz，是原天線的39.8倍），同時，在約一半的工作帶寬內，VSWR值低于1.5，也保持了良好的增益。本文工作為微帶天線的進一步開發研究提供了新的思路。

參考文獻

［1］D.R.Smith，J.B.Pendry，M.C.K.Wiltshire.Metamaterials and negative refractive index［J］.Science 305（2004）∶788-792.

［2］冉立新，陳紅勝，皇甫江濤等.異向介質研究進展［J］.微波學報，2004，20（3）∶89-94.

［3］鄭月軍，高軍，曹祥玉等.基于FSS的雙頻高增益微帶天線［J］.微波學報，2014，30（5）∶54-58.

［4］Engheta N.An idea for thin subwavelength cavity resonators using metamaterials with negative permittivity and permeability［J］.IEEE Antennas Wireless Propagation Letters，2002（1）∶10-13.

［5］Le-Wei Li，Ya-Nan Li，Tat Soon Yeo，et al.A broadband and high-gain metamaterial microstrip antenna［J］.Applied Physics Letters，201 0，96（16）∶4101-4103.

［6］F.Falcone，T.Lopetegi，M.A.G.Laso，et al.Babinet principle applied to the design of metasurfaces and metamaterials［J］.Physical Review Letter s，2004，93（19）∶7401-7404.

［7］Yang R，Xie Y J，Wang P，Li L.Characteristics of millimeter wave microstrip antennas with left-handed materials substrates［J］.Applied Physics Letters，2006，89∶064108.

［8］Yang R，Xie Y J，Li X F，et al.Casality in the resonance behavior of metamaterials［J］.Europhys Letters，2008，84∶34001.

Metamaterial-based Miniaturized Broadband Microstrip Antenna*

HE Yangjiong1，ZHANG Shiquan2，LI Xuejian1
（1.Engineering University of CAPF Postgraduate Brigade，Shanxi Xi’an 710086，China；2.Engineering University of CAPF School of Science，Shanxi Xi’an710086，China）

Abstract：The novel designed“square”metamaterial units were etched on upper patches with ordinary microstrip antenna and the bottom ground plane，respectively，thus working out a miniaturized broadband high-gain microstrip antenna working under 3.66GHz-14.42GHz.Compared with the original antenna，the resonance center frequency of the new antenna is decreased by 34.8%；the relative bandwidth is expanded to 229.9% from 3.76% while favorable gain is maintained.The material test results and the simulation results are in line with each other.The performance improvement is attributed to the fact that the left-hand transmission features of metamaterial affected the equivalent medium parameters of the microstrip antenna dielectric substrate，and the radiation field of the antenna concentrates on the horizontal direction rather than the vertical direction for traditional bandwidth antenna.

Key words：miniaturization；microstrip antenna；broad bandwidth；metamaterial

基金項目：國家自然科學基金項目（61072034、51302318）；陜西省自然科學基金項目（2011JQ6013）；武警工程大學基礎研究項目（WJY-201404，WJY-201406）。

作者簡介：

何楊炯（1992—），男，陜西西安人，碩士，主要研究方向：超材料在天線中的應用，電磁場數值方法。

張世全（1961—），男，陜西西安人，博士，武警工程大學教授，主要研究方向：無源互調、電磁兼容和電磁場數值方法。

李雪健（1992—），男，陜西西安人，碩士，主要研究方向：天線設計，電磁場數值方法。