一種多頻帶、小型化超材料微帶天線

湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院信息工程學(xué)院 張 超

湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院車輛運(yùn)用學(xué)院 王 哲

湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院信息工程學(xué)院 劉洪亮 周思難 唐林英 夏敏納

超材料作為一類新型的人工電磁材料，在天線的小型化領(lǐng)域中具有重要作用。通過在貼片微帶天線中加載交指型超材料結(jié)構(gòu)和帶有縫隙地板結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了天線小型化及多頻帶功能。相對傳統(tǒng)微帶天線，這種加載超材料的微帶天線幾何尺寸縮小59%，且具備良好的輻射特性，可應(yīng)用于雷達(dá)、物聯(lián)網(wǎng)、車載天線等領(lǐng)域。

微帶天線是移動(dòng)通信系統(tǒng)中不可缺少的信號收發(fā)裝置，因其集成度高、制作成本低、尺寸小等特點(diǎn)而應(yīng)用廣泛。隨著5G通信時(shí)代的到來，移動(dòng)設(shè)備對尺寸和集成度的要求越來越高，微帶天線的小型化研究成為相關(guān)科研工作者研究的熱點(diǎn)。目前，小型化微帶天線的研究主要采用加載短路枝節(jié)、附加有源網(wǎng)絡(luò)以及提高介質(zhì)基板介電常數(shù)等技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)的，但是這些技術(shù)存在一定缺陷，天線尺寸的減小會(huì)降低帶寬和天線增益等指標(biāo)。

超材料（Metamaterials）是呈現(xiàn)自然界材料不具備的超常物理性質(zhì)的人工周期或非周期電磁結(jié)構(gòu)。其最先由英國帝國理工大學(xué)Pendry教授提出，他提出利用周期性排布的開口諧振金屬環(huán)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率等奇特物理性質(zhì)，其在天線的小型化領(lǐng)域中具有重要應(yīng)用。目前，國內(nèi)外關(guān)于超材料在微波器件和天線的小型化方面的研究成果層出不求。

通過對超材料小型化微帶天線的國內(nèi)外現(xiàn)狀進(jìn)行分析，本文擬采用在傳統(tǒng)貼片微帶天線的基礎(chǔ)上加載一種交指型的超材料輻射貼片結(jié)構(gòu)以及開縫的地板結(jié)構(gòu)，可以顯著減小微帶天線的尺寸以及實(shí)現(xiàn)多頻帶、寬頻帶的性能。

1 多頻帶、小型化超材料微帶天線設(shè)計(jì)

天線結(jié)構(gòu)主要是由上層交指型輻射貼片、中間介質(zhì)板以及下層帶有縫隙的接地板組成，天線的具體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該天線介質(zhì)板材料為Rogers RO4350，相對介電常數(shù)為3.48，損耗角正切tan D=0.004，金屬部分均采用厚度為0.018mm銅箔。為了增強(qiáng)表面電流在輻射貼片上的集中度和耦合強(qiáng)度，使天線呈現(xiàn)寬帶和降低工作頻率的效果。天線上層輻射貼片主要是在傳統(tǒng)的微帶天線輻射貼片上加載上下對稱的交指型超材料結(jié)構(gòu)。微帶線連接輻射貼片，采用高效且易于平面集成的微帶線饋電方法對天線饋電?？紤]工作頻率和成本等因素，天線介質(zhì)尺寸為40mm×40mm×1.524mm。其他具體尺寸如下：w=40mm，l=40mm，ww=22mm，ll=21mm，d=2.8mm，yl=11.75mm，wd=3.5mm，wl=9mm，d1=1mm，gw=6.6mm，h=9.2mm，g=4mm，wg=1mm，t=0.018mm，td=1.524mm。

圖1 (a)天線結(jié)構(gòu)的正視圖；(b)交指單元超材料結(jié)構(gòu)的局部放大圖；(c)天線結(jié)構(gòu)的背面圖；(d)天線結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。

2 多頻帶、小型化超材料微帶天線的仿真分析

2.1 仿真結(jié)果與討論

采用CST商業(yè)軟件對上述多頻帶、小型化超材料微帶天線進(jìn)行仿真，采用微帶線饋電結(jié)構(gòu)，通過CST時(shí)域求解器進(jìn)行全波仿真分析得出反射系數(shù)S11參數(shù)和輻射方向圖結(jié)果如下圖2所示：

圖2 天線回波損耗(S11參數(shù))以及不同頻點(diǎn)下的E面方向圖

通過圖2(a)可以觀察到，當(dāng)S11<=-10dB時(shí)，天線工作頻率在為3.15GHz～3.9GHz、4.45GHz～5.2GHz以及5.66GHz～10.14GHz，此超材料天線滿足天線多頻帶工作的要求，且可以實(shí)現(xiàn)寬帶工作的特性。覆蓋了無線局域網(wǎng)(WLAN)頻段，全球微波互聯(lián)接入頻段(WiMAX)，X波段衛(wèi)星通信下行頻率以及X波段衛(wèi)星通訊的上行頻率。

通過圖2(b)-(c)可以觀察到，當(dāng)頻率為3.548GHz的時(shí)候，此時(shí)天線的增益為2.93dBi，天線的3dB波束寬度為218°；當(dāng)頻率是5.051GHZ的時(shí)候，此時(shí)天線的增益為4.13dBi，天線的3dB波束寬度是154°；當(dāng)遠(yuǎn)場監(jiān)視器設(shè)置觀察的頻率點(diǎn)不同，天線的各項(xiàng)性能指標(biāo)也不同。

2.2 工作機(jī)理

為了探討微帶天線的多頻帶和寬帶機(jī)理，我們通過CST軟件觀察微帶天線的表面電流分布，得出的結(jié)果如圖3所示。

圖3 天線表面電流分布圖(@5.051GHz)

通過對天線的表面電流分析可以看出，天線的表面電流主要集中在交指型單元形狀結(jié)構(gòu)輻射貼片的周圍，并且束縛在交指單元的附近。結(jié)合圖2的S11參數(shù)圖可以觀察出，在3.9GHz～4.4GHz以及5.2GHz～5.6GHz之間形成了兩個(gè)阻帶，可以說明這種交指形狀結(jié)構(gòu)的輻射貼片具有阻帶的性質(zhì)。通過兩個(gè)阻帶，我們得到了所需要的多頻寬帶天線。此外，在地板結(jié)構(gòu)中使用了開縫的超材料結(jié)構(gòu)，目的是為了增加帶寬，使天線更加滿足實(shí)際需要。

3 天線的改進(jìn)方向

從仿真實(shí)驗(yàn)的探索分析可以得知，交指形狀的輻射貼片結(jié)構(gòu)使天線的電流始終集中在交指形狀的周圍，從而在3.9GHz～4.4GHz以及5.2GHz～5.6GHz之間形成了兩個(gè)高頻的阻帶，實(shí)現(xiàn)多頻的性能。在背面的地板結(jié)構(gòu)中央刻槽開縫并調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)可以獲得較好的寬頻帶特性和輻射性能。所以天線的改進(jìn)可以通過調(diào)節(jié)優(yōu)化交指單元和地板縫隙的超材料結(jié)構(gòu)參數(shù)從而改進(jìn)天線的性能。

本文設(shè)計(jì)的多頻帶、小型化超材料微帶天線工作的頻段是在3.15GHz～3.9GHz、4.45GHz～5.2GHz以及5.66GHz～10.14GHz，采用超材料交指形狀結(jié)構(gòu)和加載縫隙的地板結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)天線多頻帶、寬頻帶和小型化特性。并利用CST軟件分析了交指形狀超材料結(jié)構(gòu)的表面電流對天線的整體性能的影響。通過全波仿真實(shí)驗(yàn)表明，該天線的帶寬滿足了超材料微帶天線的工作指標(biāo)要求，所設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)簡單，易于工業(yè)生產(chǎn)，工作性能良好，覆蓋無線局域網(wǎng)(WLAN)頻段，全球微波互聯(lián)接入(WiMAX)頻段，X波段等多個(gè)頻段，在天線工程中具有一定的使用價(jià)值。