超材料微帶天線的研究進展

周精浩，董焱章

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超材料微帶天線的研究進展

周精浩，董焱章*

（汽車動力傳動與電子控制湖北省重點實驗室，湖北汽車工業(yè)學院汽車工程學院，湖北 十堰 442002）

汽車的智能網聯(lián)化對車載雷達等智能車身傳感器提出了更高的性能要求，其中內置微帶天線的性能至關重要。超材料的新穎特性非常有利于提高微帶天線的增益、小型化和集成化程度，這里超材料與微帶天線的合理匹配是設計研究的重點。從天線結構角度來看，超材料微帶天線的類型可分為超材料覆層型微帶天線、超材料基板型微帶天線、復合左右手傳輸線型微帶天線。超材料微帶天線在抑制天線表面波、提高天線方向性和天線多頻化等方面具有很好的應用潛力。

超材料；微帶天線；小型化；增益；集成化

前言

1953年Deschamps首次提出微帶天線，然而受限于覆銅、覆金介質基片光刻技術的落后，直到20世紀70年代Munson和Howel才制造出第一個實際意義上的微帶天線[1]。微帶天線具有體積小、結構簡單、成本低、易與與其他電磁器件共形、方便與饋電網絡和其他有源器件集成等優(yōu)點。在汽車智能網連化蓬勃發(fā)展的過程中，對車載雷達等智能車身傳感器的集成化和小型化提出了更高要求，因此微帶天線成為車用雷達的新選擇，目前己有采用微帶天線陣的汽車雷達系統(tǒng)[2-3]。但是傳統(tǒng)的微帶天線的增益普遍較低、性能受介質板材影響較大，易激勵表面波導致能量損耗、功率容量較低、頻帶較窄、饋電與輻射元之間存在著隔離差、方向性比較差等缺點制約微帶天線的進一步發(fā)展和應用。上述問題亟需新的微帶天線設計理論及研究，本世紀初脫穎而出的超材料設計理念[4-7]恰逢其時，隨著超材料理論不斷發(fā)展，目前超材料已經在天線、雷達、濾波器等領域得到應用，并取得較好的效果。

1 超材料的新穎特性及天線合璧

超材料是一類人工復合結構材料，它可以通過周期性的人工結構對外加電磁場產生相應的響應。隨著研究的深入，超材料的范圍也愈加廣泛，主要包括：左手材料、光子帶隙晶體、負磁導率材料，近零折射率材料和頻率選擇表面等[8]。超材料的思想最早可追溯到1904年，科學家Schuster A和Lamb H發(fā)現(xiàn)在吸波諧振頻率處存在不規(guī)則色散，從而可能出現(xiàn)負群速。1968年，前蘇聯(lián)科學家Veselago[4]從理論上對這一思想進行拓展，提出了電導率和磁導率同時為負的可能性，但由于在自然界中沒有找到該類材料，超材料受到質疑而沒有任何進展。直到1996-1999年期間，英國科學家Pendry等[5-6]提出一種通過細金屬棒(Rod)陣列和金屬諧振環(huán)(SRR)實現(xiàn)負的等效介電常數和負的等效磁導率的方法。2001年美國科學家Smith等[7]成功制作出X波段等效介電常數和等效磁導率同時為負的左手超材料，第一次從實驗上證實了負折射的存在。

圖1 超材料天線[9-15]

超材料理論上可以得到任意數值的磁導率或介電常數，極大突破了人們對傳統(tǒng)材料的認識禁錮，超材料的發(fā)現(xiàn)引起人們極大地興趣，越來越多的學者投入這個領域。近年來，超材料研究成果紛紛涌現(xiàn)，主要集中在兩個方面：一是超材料新型結構的實現(xiàn)和性能優(yōu)化，得益于先進的人工制備技術，左手超材料的結構越來越多樣化，概括起來主要有五大類[16]，如以十字勛章形[17]、工字型[18]、川字型[19]、樹枝型[20]、梯形[21]等為基礎的諧振貼片型超材料，以及傳輸線集成型[22]、薄膜層合型[23]、顆粒復合型[24]、漁網型[25]等；二是超材料在天線等工業(yè)領域內的應用，如圓片結構多帶與寬帶超材料吸波器[26]、超材料基板微帶天線[27-28]、超材料濾波器等[29]?；诔牧侠碚撛O計出的天線如圖1所示，不僅實現(xiàn)了較為完美的輻射而且突破了傳統(tǒng)意義上的物理天線尺寸限制，這些均在智能車身傳感器方面有潛在應用。

針對微帶天線增益低、頻帶窄、方向性差的缺點，研究者提出了一些提升微帶天線增益性能的方法，比如使用低介電常數的介質板降低天線的固有品質因子、添加寄生貼片和將單一天線組成天線陣列的形式等[2,30]，盡管這些方法可以提高天線增益，但同時也帶來了尺寸變大、結構復雜和成本高昂等缺陷。超材料理論圍繞負介電常數和負磁導率等基本屬性，衍生了很多新穎的電磁特性，如基于負折射率的負折射[31]、超分辨率成像[32]、光子遂穿效應[33]等；基于后向波的逆多普勒效應[34]、逆切倫科夫輻射[35]和反常古斯-漢森位移[36]等奇特屬性[37]。超材料的新穎特性對于電磁器件的集成化、小型化和特定性能設計等意義重大。具體到微帶天線研究，超材料的性能設計研究主要是從天線基底的改造、高性能天線覆層的布置、對輻射結構進行再設計等方面著手[38]，概括起來超材料微帶天線結構有三種類型，即超材料基板微帶天線、超材料覆層微帶天線、復合左右手微帶天線。

2 超材料基板型微帶天線

微帶天線的基板與天線的帶寬、阻抗、品質因素和損耗等密切相關，無論是基板的相對介電常數，還是基板的厚度都會對微帶天線性能產生影響。采用較厚的基板，可以得到較寬的頻帶，效率也較高，但基板厚度與波長比值過大會引起表面波的明顯激勵，通常經驗認為天線電厚度不應超過五分之一的天線工作波長。采用高介電常數的介質基板，微帶天線的尺寸較小，但帶寬較窄，當減小基板介電常數時，可以使輻射對應的品質因子下降，從而使頻帶變寬，同時還將減小表面波對天線方向性的影響，在毫米波波段，表面波效應尤為顯著。另外天線的帶寬與高次模的產生又是互相矛盾的，而高次模的產生將會使得天線方向圖惡化[39]。

普通材料基板的這些因素相互影響，很難獲得滿意的天線性能，無論對于微帶天線還是其他種類的天線，增益都是一個重要的考量指標，增益并不是一個獨立的參數，它與天線的尺寸，方向性系數，輻射效率和損耗等密切相關。具體到我們的車載雷達，天線的這些指標關系到汽車雷達的最大探測距離[42-43]。針對微帶天線低增益，方向性差的特點，基于超材料理論，出現(xiàn)了很多改造天線基板的方法，常用的就是使用電磁帶隙結構(EBG)，產生的諧振禁帶效應抑制天線的表而波[40-41]，進而減小天線的輻射損耗，提高天線增益。周期電磁帶隙結構本身就是廣義上的超材料，諧振結構(SRR)有類似于EBG的特性，受此啟發(fā)有研究者利用將周期SRR放置在天線基板上來提高天線增益或方向性。這種結構只能阻止特定頻率范圍內的光波在其中的傳播，因此微帶天線的工作頻率必須落在超材料的諧振頻帶內。超材料基板微帶天線幾乎不會增加天線剖面尺寸，只需在原有天線基板上匹配一層厚度為毫米級的超材料貼片便可實現(xiàn)，基板與諧振貼片組成的結構具有電磁超特性，當天線的工作頻率位于超材料的諧振頻帶中時，天線表面波受到到抑制，天線輻射效率增高，增益變大[20,44-45]，這對于設計高增益，寬波束、小型化的天線意義重大[46-47]。如2011年西北工業(yè)大學應用物理系智能材料實驗室的湯杭飛、王虎等人[27]將正方形結構負磁導率材料作為天線基板，設計出一種低剖面、高增益的基板的微帶天線。通過仿真發(fā)現(xiàn)在5.27GHz附近處的頻率范圍內出現(xiàn)了禁帶，并通過對比試驗發(fā)現(xiàn)該超材料基板天線回波損耗幾乎沒有變化，但天線增益較普通微帶天線提高了1dB。2012年劉振哲，汪澎[28]等人設計出一種工作在76GHz-77GHz的毫米波微帶天線，并在基板中加入改進的SRR結構，不僅使天線的帶寬增加到10GHz以上，而且實現(xiàn)了天線的小型化。若該天線用作汽車自動駕駛技術的避撞雷達，具有廣闊的研究與應用價值。西北工業(yè)大學趙曉鵬課題組將樹枝狀超材料加載于普通微帶天線基板，天線的性能有了顯著的改善，側向輻射減弱，前向輻射增強，與普通天線對比，天線的增益提高了1.22dB和2.47dB[48]。超材料基板天線如圖2所示。

圖2 超材料基板微帶天線[20,27,47-48]

除了利用超材料的諧振禁帶以外，還可以利用完全吸收超材料來提高天線性能，不同于傳統(tǒng)超材料設計中試圖盡量減小超材料損耗，更好的體現(xiàn)其負磁導率和負折射率的思想，人們逐漸發(fā)現(xiàn)材料的損耗特性也具有潛在應用，完全吸收超材料就是其中之一。2006年楊銳[49]等人提出了一種具有完全吸收特性的超材料，這種超材料的電磁行為表現(xiàn)為對入射到超材料表面的電磁波可以既不反射也不透射即S參數為零，達到電磁波完全吸收的效果。當電磁波通過這種材料時，傳輸波沿著傳播方向快速衰減，因此若將完全吸收超材料刻蝕在微帶天線基板上，基板處的表面波得到抑制，天線增益將有所提高。西北工業(yè)大學的趙曉鵬教授和保石利用樹枝狀完全吸收超材料印證的這一理論[20]，設計出了高增益超材料微帶天線。

3 超材料覆層型微帶天線

超材料基板型微帶天線限制了貼片型超材料施加的位置，并且受制于加工工藝的限制，無論是貼片型超材料基元還是微帶天線輻射貼片大都以“銅”為基礎材料，超材料基元與天線輻射結構難免互相影響。如果將人工合成的負磁導率周期性結構放置在天線輻射方向上方并作為天線覆層，超材料的布置將有更多的可能性，并且超材料基元與天線結構無接觸，最大程度減小了超材料結構與天線輻射貼片之間的干涉，這種結構的超材料天線稱為超材料覆層微帶天線，基于此結構同樣可以設計出高增益微帶天線，如圖3所示。

天線增益與天線方向性息息相關，一般認為天線增益是天線方向性系數與天線效率的乘積，提高微帶天線的增益可以從提高天線的方向性和提高天線的效率兩方面考慮。近零折射率高方向性微帶天線就是其中一種，由經典的電等離子體Drude模型[50]可知：

在不考慮損耗的情況下，當入射波頻率接近等離子體頻率ω時，介電常數趨近于零，超材料折射率也接近為零，當電磁波經過超材料進入到空氣中時，出射波將沿界面的法線方向傳播，使微帶天線具有更好的方向性?；诖嗽?，2002年Enoch等人將偶極子天線嵌入多層介電常數接近于零的金屬網格中，使天線實現(xiàn)了完美的高方向輻射[51]。2006年浙江大學胡駿課題組將二維金屬周期結構陣列作為天線覆層，成功的使天線方向系數提高到了9.14dB[52]，還分析了覆蓋層的數量和層之間的距離對天線方向性的影響，超材料覆層就像透鏡一樣，覆層數量不同，距離不同都會得到不同結果。2013年西北工業(yè)大學趙曉鵬課題組基于近零折射率的超材料也增強了天線的方向性[53]。2015年西安電子科技大學天線與微波技術重點實驗室設計了一種互補的雙面對稱開口圓環(huán)結構的新型近零折射率超材料單元，將這種超材料至于微帶天線上方5mm處得到了低剖面高增益的天線[54]。

圖3 超材料覆層微帶天線[52,55-57]

人們對于超材料覆層微帶天線的研究并不局限于近零折射率高方向性這一方面，基于光子晶體的的‘禁帶’[58-59]作用，人們發(fā)現(xiàn)光子帶隙材料能調制一定頻率的電磁波，電磁波在這樣的材料中傳播時能量處在光子帶隙中的電波不能進入該晶體，后來這一理論被擴展到微波領域，微波波段的禁帶稱為電磁帶隙即EBG，EBG是周期性排列的結構、一般具有一個或多個諧振頻段，在諧振頻段內可以實現(xiàn)濾波作用，如果我們設計的微帶天線工作頻率落在EBG電磁帶隙的禁帶內，在基板與覆層之間的表面波將得到抑制，這點與超材料基板微帶天線是相似的。2005年美國科學家weily設計出一種EBG結構的平面微帶天線，將木堆狀的EBG結構放置到微帶天線輻射貼片前方，得到了高增益、高效率、低旁瓣、方向性可調的超材料微帶天線[59]。

EBG結構的天線雖然具有很高的方向性，但往往需多層濾波才能實現(xiàn)較為優(yōu)異的結果，這大大增加了天線剖面。2005年后以Fereidis為代表的一批科學家提出了一種諧振腔型微帶天線，它將EBG結構中的多層改為單層，基于光學模型分析方法，利用光學諧振腔對電磁波頻率和方向的選擇作用，將透射率極低的單層EBG結構放置到天線輻射源上方/4處，電磁波在覆層和天線接地板之間多次反射和折射，每次折射出的電磁波能夠同相疊加從而提高天線的增益并銳化波束寬度[60]。2016年馬波，楊小明等人為解決傳統(tǒng)單一微帶天性增益較低的性能缺陷，設計出一種新穎帶缺口的梯形超材料結構，該結構在C波段內出現(xiàn)了介電常數和磁導率同時為負的左手特性，把該結構作為微帶天線覆層，結果表明，該超材料結構與微帶天線形成較好的傳輸匹配，增益的最大值從8.3537dB提高到10.74dB[21]。2017年穆欣等人設計出一種加載雙層金屬方環(huán)的電磁超材料，并將它作為天線罩放置于微帶天線正上方30mm處時，仿真結果顯示，它將微帶天線輻射波的球面波修正為準平面波，從而使天線增益提升了2.5dB[61]。值得注意的是雖然這些研究都不同程度的提高了天線的方向性，但是帶寬普遍都窄，天線覆層的加入也增大了天線剖面，另外由諧振腔理論知道在天線工作頻率較低時，覆層與地板之間距離較大，目前一些學者正在進行相關研究，通過改變覆層與天線基板的反射相位來降低覆層高度，減小天線剖面，覆層距離正在突破/4的限制，甚至達到了/70，但是超材料覆層的安裝固定困難[62-63]，另外在實現(xiàn)雙頻或多頻帶、實現(xiàn)波束控制等方面還存在很大研究空間。

4 復合左右手傳輸線型微帶天線

無論是超材料基板型微帶天線還是超材料覆層型微帶天線都利用了超材料金屬貼片的諧振效應，盡管隨著超材料理論研究的深入，金屬諧振結構不斷衍生出新的結構，但仍然無法完全擺脫諧振結構的固有特點：帶寬窄，損耗高[64]。2002年Eleftheriades[65-66]等人從傳輸線理論出發(fā)，率先提出了傳輸線形式的超材料，電磁波在復合左右手形式的傳輸線中傳播時只在某一特定頻率范圍表現(xiàn)為左手性質，而在其他頻率范圍則表現(xiàn)為傳統(tǒng)的右手性質。復合左右手傳輸線兼具了左手材料與右手材料的特性，因而稱為復合左右手傳輸線，復合左右手傳輸線型微帶天線將天線從結構設計擴展到電路設計，這種形式的微帶天線在帶寬和損耗方面優(yōu)于諧振型超材料微帶天線。

傳輸線理論是將電路理論和電磁場理論相結合的分布參數理論，復合左右手傳輸線制備方法目前主要由以下兩種：一是利用集總電容和集總電感的周期性排布得到電磁超特性[67]，另一種是在雙面敷銅的介質板上刻蝕交指電容和短腳電感[68]。復合左右手傳輸線理論在天線領域的應用集中在兩大類，即諧振天線和漏波天線，其中諧振天線又可以分為半波諧振天線、零階諧振天線和多頻天線等[69]；漏波天線按照天線結構的不同可以分為周期性漏波天線和均勻性漏波天線兩類[70]。傳輸線理論的應用彌補了天線結構化設計的局限性，可以設計出更加理想的微帶天線?；趶秃献笥沂謧鬏斁€結構的零階諧振天線在諧振頻率處電磁波相速度為無窮大，此時天線將不受物理尺寸限制，從而實現(xiàn)了天線的小型化[71-72]，這在微帶貼片天線的緊湊設計中非常明顯的應用價值；基于復合左右手傳輸線結構的漏波天線無需任何復雜饋電網絡就能獲得高方向性及靈活的動態(tài)波束掃描能力，并且具有很好地波束偏移補償特性[73-74]。另外復合左右手傳輸線有平衡態(tài)和非平衡態(tài)兩種，非平衡態(tài)不需要完全確定串聯(lián)電容、并聯(lián)電感、串聯(lián)電感和并聯(lián)電容四個參數，將其用于微帶天線可以實現(xiàn)天線的雙頻化[75]，調節(jié)電感電容的參數，可以調控兩個中心頻率。

圖4 超材料基板微帶天線[67-68,72]

復合左右手微帶天線如圖4所示，它另一個重要的優(yōu)勢在于可以實現(xiàn)天線的小型化，復合左右手傳輸線微帶天線的諧振頻率傳統(tǒng)微帶天線小型化技術有表面開槽、提高介質板的介電常數、短路加載、附加有源網絡、采用特殊結構等，但是這些技術總會帶來這樣或者那樣的損失，微帶天線的各項指標之間相互制約[76-77]，要實現(xiàn)微帶天線的小型化，就必須以犧牲帶寬或輻射效率等其它性能指標為代價。例如表面開槽會導致天線的增益下降；采用高介電常數的介質基片會帶來天線厚度和成本增加的問題[78]；附加T型阻抗匹配環(huán)結構也會降低天線增益[79]。而人工電磁超材料為微帶天線的多頻化、小型化、寬帶化提出了一種嶄新的研究思路[80-81]。通過將填充于微帶天線基板內部的左手材料，電磁波在右手材料中傳播產生的相位，能夠在左手材料中傳播時得到補償,微帶天線的物理尺寸，可以突破半波長電尺寸的束縛，將不受諧振頻率限制，從而實現(xiàn)微帶天線的小型化，并且天線的性能取決于左手材料和右手材料的本構關系，有效避免了天線各性能指標間的相互制約。

目前對超材料微帶天線的設計大都遵循先設計超材料的結構，再對其尺寸參數進行優(yōu)化達到與天線工作頻率的匹配，最后將材料與天線結合進行仿真分析的思路。而這種結構化的設計往往依靠經驗和長時間的試湊，尺寸優(yōu)化也存在很大局限性，難以設計出任意工作頻率的超材料天線。為了更大程度發(fā)掘超材料的性能，解決超材料微帶天線匹配困難等問題，提高在工程領域的應用空間，還需要借助更高層次的拓撲優(yōu)化去設計特定性能的電磁超材料微結構[82]，這也是我們今后研究的工作方向。

5 總結

本文從車用雷達天線集成化、小型化和高增益的需求出發(fā)，介紹并總結了超材料在微帶天線領域的研究進展，超材料基板微帶天線、超材料覆層微帶天線和復合左右手傳輸線形式的微帶天線性能雖各有千秋，但都能借助超材料的新穎特性提高天線增益。超材料的出現(xiàn)極大豐富了人們對材料性能的認識，隨著超材料相關理論的進一步研究，超材料的新穎特性必將在微帶天線方面得到深入應用，超材料微帶天線產業(yè)也將日趨發(fā)展和壯大，并在汽車電磁器件領域大放異彩。

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Research progress of metamaterial microstrip antenna

Zhou Jinghao, Dong Yanzhang*

（Hubei Key Laboratory of Automotive Power Train and Electronic Control, School of Automobile Engineering, Hubei University of Automotive Technology, Hubei Shiyan 442002）

The intelligent networking of automobiles puts higher performance requirements on smart body sensors such as vehicle radars, and the performance of built-in microstrip antennas is crucial. The novel characteristics of metamaterials are very beneficial to improve the gain, miniaturizion and integration of microstrip antennas. The Reasonable matching of metamaterials and microstrip antennas is considered to be the focus of design research. According to the structure of micro -strip antennas, it can be divided into metamaterial coated microstrip antenna, metamaterial substrate microstrip antenna and composite left/right- handed transmission line microstrip antenna. The metamaterial microstrip antenna has a good applica -tion potential in suppressing the antenna surface wave, improving the antenna directivity and multi-frequency antenna.

metamaterial; microstrip antenna; miniaturizion; gain; integrated

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A

1671-7988(2019)07-200-07

周精浩，男，湖北汽車工業(yè)學院碩士生，主要研究方向：智能車身輕量化設計。

董焱章（1983-），男，博士，副教授，主要從事工程力學、結構與多學科優(yōu)化、超材料設計等方面的研究。

國家自然科學基金青年科學基金（11502075，11504102，51605149）；汽車零部件技術湖北省協(xié)同創(chuàng)新項目（2015 XTZX0401，2015XTZX0421）；湖北汽車工業(yè)學院博士科研啟動基金(BK201501) 。

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A

1671-7988(2019)07-200-07

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.07.068