一種新型零折射率超材料在微帶天線中的應用

楊宇

摘要：研究了一種對稱金屬帶零折射率超材料，并將該結構作為覆層應用于在C波段工作的微帶天線。采用Ansoft HFSS軟件對超材料結構進行仿真，得到回波損耗曲線，再利用NRW反演算法求出等效介電常數和磁導率，驗證了該結構在5.47GHz處介電常數為零，進而實現了超材料的折射率為零。最終結果表明，加載超材料的微帶天線E面、H面半功率波束寬度分別收縮了33°和17°，側向輻射減弱，增益提高了2.71dB。

關鍵詞：零折射率;超材料;C波段;微帶天線;增益

1 引言

電磁超材料（metamaterial）[1]，也稱為新型人工電磁材料、新型人工電磁媒質、特異媒質，是通過人工方式加工或合成的、具有周期或非周期排列的亞波長單元結構，擁有不同于常規材料的電磁特性和光學物理特性，興起于21世紀初。該材料具有不同尋常的電磁特性，如：負折射現象、反常切倫科夫現象、逆多普勒效應等。利用負折射率超材料的折射率特性，通過將其合理加載于天線的輻射端，可以有效的起到匯聚電磁波的作用，從而提高天線的增益和定向性[2]。

近來作為人工電磁超材料的另一分支，對于零折射率超材料的研究引起了廣泛關注，零折射率材料由于本身性質介于正負折射率之間，其本身具有很多奇特的性質是正負折射率材料所不具有的。在2002年，法國的Enoch等人首次將輻射源放置到零折射率材料內部，輻射出的能量被限制在一個周圍介質狹小的圓錐區域內，輻射出的電磁波相對于沒有嵌入到零折射率材料時得到了改變，增益和方向性得到了提高。在之后的十多年里乃至現在，以零折射率超材料作為覆蓋層來提升天線的性能指標[3-5]仍然是熱門的研究方向。

本文基于以上思路研究了一種對稱金屬帶零折射率超材料模型，并將其應用于在C波段工作的微帶天線。天線作為無線設備必不可少的組成部分，它的功能主要是接收和發射無線電波，本文的研究成果在一定程度上彌補了傳統微帶天線增益較小、方向性系數較小的缺陷，這使得微帶天線在移動通信中將會得到更好的應用。

2 超材料單元結構

基于零折射的波束匯聚原理，設計了一種對稱金屬帶（Symmetrical metal strip，SMS）零折射率超材料結構，如圖1所示。

利用Matlab對SMS單元進行參數反演，仿真結果表明在5.47GHz 處該單元有較好的近零折射效果，折射率為0.0006+0.1428i。進一步觀察等效介電常數和等效磁導率可以看出，在該頻點處其介電常數為0.0004+0.004i，磁導率為-0.4878+5.398i，從而驗證了所提出的SMS單元為介電常數近零（ENZ）單元。

3 微帶天線設計及超材料加載

微帶天線的相關參數包括輻射元的長度和寬度，介質層的長度、寬度、厚度、相對介電常數和損耗正切。通過通用計算公式可以確定上述參數的具體數值[6]。通過超材料設計部分分析可知，微帶天線的諧振頻點需要和超材料的近零頻點相匹配，因此本文設計的同軸微帶天線工作頻率為5.47GHz。

超材料加載模型如圖2所示，本文的SMS結構以1x12x6陣列的排列形式作為微帶天線覆層，該覆層最下端和微帶天線貼片的距離為5mm。

經HFSS軟件模擬仿真，加載超材料覆層后，其回波損耗相對于單一微帶天線來說有所增加，這說明超材料覆層與微帶天線形成了較好的傳輸性能匹配;E面和H面的二維增益由5.94dB增加到8.65dB，兩個面的半功率波束寬度分別減小33°和17°;圖3是加載超材料覆層后的三維增益圖，增益最大值為8.6515dB。從圖中可以看出天線在加載超材料后，旁瓣輻射變窄，正向輻射方向集中更多能量，輻射變得更為集中。

4 結論

本文將零折射率的對稱金屬帶結構用于普通微帶天線，利用該結構匯聚天線波束的性質，設計了一種零折射率高定向性天線。仿真結果表明，采用此結構的微帶天線與普通微帶天線相比，其E面、H面半功率波束寬度分別減小33°和17°，側向輻射減弱，增益提高了2.71dB，較好的提高了天線定向性。

參考文獻

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