一種新型零折射率超材料在微帶天線中的應(yīng)用

楊宇

摘要：研究了一種對(duì)稱(chēng)金屬帶零折射率超材料，并將該結(jié)構(gòu)作為覆層應(yīng)用于在C波段工作的微帶天線。采用Ansoft HFSS軟件對(duì)超材料結(jié)構(gòu)進(jìn)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(shù)和磁導(dǎo)率，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)在5.47GHz處介電常數(shù)為零，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了超材料的折射率為零。最終結(jié)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(cè)向輻射減弱，增益提高了2.71dB。

關(guān)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(chēng)為新型人工電磁材料、新型人工電磁媒質(zhì)、特異媒質(zhì)，是通過(guò)人工方式加工或合成的、具有周期或非周期排列的亞波長(zhǎng)單元結(jié)構(gòu)，擁有不同于常規(guī)材料的電磁特性和光學(xué)物理特性，興起于21世紀(jì)初。該材料具有不同尋常的電磁特性，如：負(fù)折射現(xiàn)象、反常切倫科夫現(xiàn)象、逆多普勒效應(yīng)等。利用負(fù)折射率超材料的折射率特性，通過(guò)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(lái)作為人工電磁超材料的另一分支，對(duì)于零折射率超材料的研究引起了廣泛關(guān)注，零折射率材料由于本身性質(zhì)介于正負(fù)折射率之間，其本身具有很多奇特的性質(zhì)是正負(fù)折射率材料所不具有的。在2002年，法國(guó)的Enoch等人首次將輻射源放置到零折射率材料內(nèi)部，輻射出的能量被限制在一個(gè)周?chē)橘|(zhì)狹小的圓錐區(qū)域內(nèi)，輻射出的電磁波相對(duì)于沒(méi)有嵌入到零折射率材料時(shí)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(xiàn)在，以零折射率超材料作為覆蓋層來(lái)提升天線的性能指標(biāo)[3-5]仍然是熱門(mén)的研究方向。

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

2 超材料單元結(jié)構(gòu)

基于零折射的波束匯聚原理，設(shè)計(jì)了一種對(duì)稱(chēng)金屬帶（Symmetrical metal strip，SMS）零折射率超材料結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

利用Matlab對(duì)SMS單元進(jìn)行參數(shù)反演，仿真結(jié)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(jìn)一步觀察等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率可以看出，在該頻點(diǎn)處其介電常數(shù)為0.0004+0.004i，磁導(dǎo)率為-0.4878+5.398i，從而驗(yàn)證了所提出的SMS單元為介電常數(shù)近零（ENZ）單元。

3 微帶天線設(shè)計(jì)及超材料加載

微帶天線的相關(guān)參數(shù)包括輻射元的長(zhǎng)度和寬度，介質(zhì)層的長(zhǎng)度、寬度、厚度、相對(duì)介電常數(shù)和損耗正切。通過(guò)通用計(jì)算公式可以確定上述參數(shù)的具體數(shù)值[6]。通過(guò)超材料設(shè)計(jì)部分分析可知，微帶天線的諧振頻點(diǎn)需要和超材料的近零頻點(diǎn)相匹配，因此本文設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)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(jīng)HFSS軟件模擬仿真，加載超材料覆層后，其回波損耗相對(duì)于單一微帶天線來(lái)說(shuō)有所增加，這說(shuō)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(gè)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(jié)論

本文將零折射率的對(duì)稱(chēng)金屬帶結(jié)構(gòu)用于普通微帶天線，利用該結(jié)構(gòu)匯聚天線波束的性質(zhì)，設(shè)計(jì)了一種零折射率高定向性天線。仿真結(jié)果表明，采用此結(jié)構(gòu)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(cè)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(xiàn)

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negative?values?of?ε?and?μ[J].Soviet?Physics?Uspekhi，1968，10（4）：509-514.

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