加載零折射率電磁超材料的高增益透明玻璃天線

王蒙軍 ,吳 迪 ,孔丹丹 ,馬曉宇 ,李艷祿

(1.河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,天津 300401;2.電工裝備可靠性與智能化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300401;3.宏啟勝精密電子(秦皇島)有限公司,河北 秦皇島 066300)

汽車在萬物互聯(lián)中發(fā)揮著越來越重要的作用,經(jīng)過不斷地發(fā)展,出現(xiàn)了車聯(lián)網(wǎng)“新四化”——電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化和共享化。天線是“四化”進(jìn)程中不可或缺的無線通信器件,目前的車載天線大多采取外置形式[1],但汽車的空間資源有限,為滿足更多天線的放置需求,以車窗玻璃為基板,研究人員設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)美觀的透明天線來解決當(dāng)下問題。早期的透明車載天線主要通過擋風(fēng)玻璃層壓工藝,將金屬導(dǎo)線嵌入聚酯膠層?；蛘吆图訜峤z結(jié)合[2-3],通過絲網(wǎng)工藝將金屬與粘合劑制成的特殊混合物印刷至汽車玻璃窗內(nèi)。而運(yùn)用了新型薄膜材料的玻璃天線[4-13]具備更高的透明度,能夠通過磁控濺射技術(shù)牢固附著在玻璃表面,將天線安裝空間擴(kuò)展到車窗、天窗和鏡子等物體上,并且削弱了對(duì)收發(fā)頻段的限制,使天線形式更靈活多樣。

透明導(dǎo)電薄膜的成熟發(fā)展為設(shè)計(jì)與制造高透明度天線鋪平道路。按照導(dǎo)電薄膜的制造工藝可以分為AgHT-4/8 導(dǎo)電聚合物天線[4-5]、金屬網(wǎng)格型天線[6-7]、透明金屬氧化物天線[8-10]以及為了提升電導(dǎo)率衍生出的多層薄膜天線[11-12]。其中,金屬網(wǎng)格薄膜是由傳統(tǒng)金屬(通常是銅或銀)表面的孔隙組成,需要協(xié)調(diào)透光率與網(wǎng)格尺寸參數(shù)[11],設(shè)計(jì)流程復(fù)雜,天線的高效生產(chǎn)受到限制。而ITO 薄膜可以兼顧透明性、導(dǎo)電性和實(shí)用性,使天線具備高透明度、低阻值、低成本和良好穩(wěn)定性。但是,透明導(dǎo)電薄膜天線的表面阻值對(duì)天線增益存在惡劣影響。近年來,專家學(xué)者紛紛提出有關(guān)透明天線增益缺陷的改進(jìn)方法。從透明導(dǎo)電材料本身出發(fā),2008-2016 年間研究人員通過分析天線表面電流分布,在電流聚集的貼片邊緣處增加了納米級(jí)金屬層[4,8],以提升貼片邊緣電導(dǎo)率,改善天線增益至5 dBi。然而,該方法使天線透明度降低至57%,視覺能觀測(cè)到明顯的黃色邊沿。從天線本身形式出發(fā),2021 年Eltresy 等提出了透明陣列天線[11],利用天線元疊加特性[9],使得透明天線的輻射增益從2.3 dBi 提升至5 dBi。但是,天線類型特殊時(shí)其應(yīng)用場(chǎng)景同樣會(huì)受到限制,無法作為改善透明天線增益缺陷的泛用方法。由此可見,上述方法難以兼顧透明度、輻射增益和實(shí)用性。

超材料是一種具備非自然特性的人工結(jié)構(gòu),能夠?qū)崿F(xiàn)天然材料無法達(dá)到的負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率?；陔p負(fù)性質(zhì),研究人員利用超材料展開了許多有關(guān)天線小型化[14]、多頻化[15]、增益提升[16-19]以及方向性調(diào)控[20-21]方面的研究工作。在透明天線領(lǐng)域,研究人員在2018 年使用諧振環(huán)結(jié)構(gòu)[16]提升透明天線增益至1.67 dBi,Cong 等在2021 年提出人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)[19]以改善透明天線的增益缺陷,可以將5.3～6 GHz 內(nèi)的方向性增益從原本的1.1 dBi 提升至5.47 dBi。

超材料結(jié)構(gòu)不僅可以大幅提升透明天線的方向性增益,還可以使天線保持良好的透明性。其中,零折射率超材料(Zero Index Metamaterial,ZIM)可以調(diào)控入射電磁波和出射電磁波之間的相位關(guān)系[20],實(shí)現(xiàn)透明天線輻射波方向性能上的改進(jìn)[21]。

針對(duì)車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下透明天線在輻射增益上的不足,基于零折射率超材料覆層的調(diào)控理論完成了一款多層透明天線的設(shè)計(jì)。天線采用相對(duì)介電常數(shù)為5.8 的鈉鈣玻璃為基板,的氧化銦錫為導(dǎo)電材料,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于集成在汽車各種玻璃窗表面,具備大于75%的透明度。仿真結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)的天線可工作于ISM-2.4 GHz、5G-n77/n78 以及C-V2X 頻段,-10 dB的相對(duì)帶寬最高能達(dá)到47.9%。在3.4 GHz處,該天線的輻射增益能夠提升3.23 dB。

1 基本天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

車聯(lián)網(wǎng)的工作環(huán)境如圖1 所示,以汽車為中心,與四周各類終端進(jìn)行信息交互。為了適應(yīng)多方通信,便于車窗玻璃表面集成,以相對(duì)介電常數(shù)εr=5.8 的鈉鈣玻璃為基底,設(shè)計(jì)成如圖2 所示的平面天線,整體尺寸為100 mm×100 mm,氧化銦錫導(dǎo)電材料的具體參數(shù)如表1 所示。

表1 導(dǎo)電層參數(shù)Tab.1 Parameters of conductive layer

圖1 車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境示意圖Fig.1 Intelligent connected vehicle environment diagram

圖2 天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of antenna

將矩形縫隙加載到1.1 mm 厚的ITO 導(dǎo)電玻璃上,并采用寬度為2.8 mm 的50 Ω 微帶線進(jìn)行饋電。為了使車輛能夠收發(fā)各類無線信號(hào),天線需要具備多頻特性,因此在矩形空隙的基礎(chǔ)上,左右兩邊增加兩條對(duì)稱的帶狀線來完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。使用電磁仿真軟件CST完成上述天線結(jié)構(gòu)的建模、優(yōu)化和分析,根據(jù)圖3(a)可知,該天線呈現(xiàn)出三頻特性,分別在2.4,3.43 和5.7 GHz 處諧振,其-10 dB 的相對(duì)阻抗帶寬為47.6%(1.89～3.07 GHz),18.7%(3.10～3.74 GHz)以及47.9% (4.07～6.63 GHz),能夠覆蓋5G 和C-V2X 等網(wǎng)聯(lián)車常用頻段。如圖3(b)所示,觀察該天線的E 面和H 面方向圖,可知在三個(gè)諧振點(diǎn)上的主瓣方向性增益分別為5.27,6.05 和5.97 dBi,整體呈雙向輻射狀態(tài)。

圖3 1 ITO 天線的仿真結(jié)果。(a)回波損耗;(b)2.4 GHz 方向圖;(c)3.43 GHz 方向圖;(d)5.7 GHz 方向圖Fig.3 Simulated results of 1 ITO antenna.(a) Return loss;(b) Radiation pattern at 2.4 GHz;(c) Radiation pattern at 3.43 GHz;(d) Radiation pattern at 5.7 GHz

2 ZIM 單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

超材料的性質(zhì)通過反演計(jì)算得出的等效電磁參數(shù)來確定。以周期形式展開的超材料單元能夠從幅度、相位和極化等角度進(jìn)行電磁波調(diào)控,通過單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與幾何參數(shù)來調(diào)整等效磁導(dǎo)率和等效介電常數(shù),從而影響到入射/出射超材料覆層的電磁波。

利用超材料設(shè)計(jì)透明天線能夠規(guī)避ITO 材料本身的性能限制,從結(jié)構(gòu)方面克服天線表面阻值對(duì)輻射增益的惡劣影響。零折射率超材料結(jié)構(gòu)通過引導(dǎo)入射電磁波的出射相位達(dá)到輻射能量聚集的效果。具備近零或零折射率特性的超材料結(jié)構(gòu)與本構(gòu)參數(shù)(εr,μr)之間有著緊密關(guān)聯(lián),根據(jù)式(1)所示,等效電磁參數(shù)能夠調(diào)整該結(jié)構(gòu)的折射率n:

無論是等效介電常數(shù)或是等效磁導(dǎo)率趨近于0,都會(huì)導(dǎo)致折射率接近于0。由于電磁波經(jīng)過介質(zhì)層時(shí)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生相移θ,并且相移θ與折射率n、波數(shù)k以及傳播電長(zhǎng)度d相關(guān),如式(2)所示:

當(dāng)折射率接近于0 時(shí),相移角也會(huì)趨近于0,電磁波將會(huì)表現(xiàn)為近垂直出射的狀態(tài)。因此,從理論角度出發(fā),經(jīng)過ZIM 層調(diào)控的輻射波束會(huì)在特定方向上聚集,相應(yīng)的波束輻射增益也會(huì)增強(qiáng)。

基于上述理論進(jìn)行ZIM 單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),經(jīng)過優(yōu)化分析,在CST 軟件中得到單元大小為8 mm×8 mm 的交錯(cuò)L 型方環(huán)結(jié)構(gòu),其仿真時(shí)的邊界設(shè)置如圖4 所示。同樣將的ITO 導(dǎo)體刻蝕在相對(duì)介電常數(shù)為5.8的玻璃基板上,分別對(duì)比ITO 導(dǎo)體和面阻值為0 的理想導(dǎo)體PEC 的散射參數(shù)仿真性能,如圖5 所示。其中,S11諧振在3.51 GHz 左右,兩導(dǎo)體的諧振深度相差22 dB。在S11和S21的相位表現(xiàn)上,PEC 在3.36～4 GHz 內(nèi)的相位突變更為明顯,如圖5(a～b)所示。為了進(jìn)一步確認(rèn)在散射參數(shù)差異下ITO 仍具有近零折射率特性,將S11和S21通過NRW 反演法計(jì)算得到ZIM單元的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率。

圖4 ZIM 單元結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of ZIM unit cell

圖5 不同導(dǎo)電材料下的ZIM 單元仿真結(jié)果。(a) S 參數(shù);(b) S 參數(shù)相位值;(c) 等效介電常數(shù);(d) 等效磁導(dǎo)率;(e) 折射率Fig.5 Simulated results of ZIM unit cell at different conductive materials.(a) S-parameters amplitude;(b) S-parameters phase;(c) Equivalent permittivity;(d) Equivalent permeability;(e) Refractive index

在眾多超材料電磁參數(shù)算法當(dāng)中,NRW 反演法是使用最廣泛和穩(wěn)定的算法之一。簡(jiǎn)單來說,一個(gè)總體厚度為d的超材料覆層,經(jīng)過散射參數(shù)計(jì)算能夠得到其等效阻抗Z和折射率n,再利用等效本構(gòu)參數(shù)、波阻抗和折射率之間的關(guān)系換算,得到每個(gè)頻率采樣點(diǎn)下的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率,具體如式(3)與式(4)所示[13]:

經(jīng)過傳輸矩陣解析得到n和Z與εr和μr之間的關(guān)系,如式(5)所示:

讀取散射參數(shù)的實(shí)部和虛部,按照公式提供的參數(shù)關(guān)系進(jìn)行計(jì)算,得到更為直觀和詳細(xì)的等效電磁參數(shù)相關(guān)曲線圖。如圖5(c～e)所示,PEC 下的相對(duì)介電常數(shù)εr在3.84～4.20 GHz 存在負(fù)值,μr在3.51～3.90 GHz 內(nèi)具有更明顯的負(fù)磁導(dǎo)率特性。然而,ITO材料下ZIM 單元的等效磁導(dǎo)率在1～6 GHz 頻段范圍內(nèi)只有2.98 GHz 處存在深度負(fù)向諧振。并且,εr在2.6～5.1 GHz 范圍內(nèi)趨近于,μr在4.1～6 GHz范圍內(nèi)趨近于0,最終在3.27～3.71 GHz 和4.02～6 GHz 的頻帶范圍內(nèi)折射率接近0。PEC 材料的ZIM 單元折射率在3.40 GHz 處能夠完全等于0,而ITO 材料的表現(xiàn)不如理想導(dǎo)體,但是仍完全契合近零折射率特性。驗(yàn)證結(jié)果說明了ITO 設(shè)計(jì)ZIM 單元的可行性,理論上能夠?qū)崿F(xiàn)電磁波能量的聚合。最終,所設(shè)計(jì)的天線與ZIM 單元結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)如表2 所示。

表2 天線和ZIM 單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Geometric parameters of antenna and ZIM unit cell

3 多層天線的仿真結(jié)果分析

3.1 多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)過程和ZIM 調(diào)控原理,使ZIM 單元以周期形式展開,和天線平行放置,將天線和超材料覆層相結(jié)合。仿真時(shí)天線與超材料覆層之間填充空氣介質(zhì),在理想環(huán)境中兩層之間的距離用HS表示。

CST 中模型層間無需任何支撐體就能獲得空氣填充下的仿真結(jié)果,但在實(shí)際生活中天線與覆層之間需要用實(shí)物支撐體進(jìn)行實(shí)測(cè)。通常會(huì)使用與空氣介電常數(shù)相近的泡沫材質(zhì)板進(jìn)行替換或是選擇穿孔塑料釘進(jìn)行固定。然而,這兩種材料都會(huì)對(duì)透明度有較大影響,并且難以適配車窗集成,使天線失去透明易集成的優(yōu)勢(shì)。

為了使中間層既能支撐兩層玻璃基板,又能憑借良好的透明性實(shí)現(xiàn)車輛集成,還可以發(fā)揮ZIM 覆層的最佳效能,提出了一種中心80 mm×80 mm 鏤空結(jié)構(gòu)的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene Terephthalate,PET)層板,相對(duì)介電常數(shù)為3.4,加載到兩層之間,形成PET-ZIM 天線。如圖6 所示,將所提出的模型放置到CST 仿真環(huán)境中,進(jìn)行優(yōu)化和分析。

圖6 PET-ZIM 天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of PET-ZIM antenna

3.2 空心PET 下的ZIM 覆層天線

為了驗(yàn)證該多層天線能夠兼顧實(shí)用性和透明性,需要進(jìn)一步根據(jù)不同厚度(即不同層間距)HS下天線的參數(shù)性能變化規(guī)律進(jìn)行分析。

根據(jù)圖7(a)可知,當(dāng)HS在2～8 mm 之間變化時(shí),S11參數(shù)相較于無覆層天線存在30～293 MHz 的偏移。當(dāng)HS=2 mm 時(shí),諧振頻率向低頻偏移近300 MHz,反之,HS位于8 mm 時(shí)回波損耗的偏移量減小了121 MHz。這是因?yàn)楫?dāng)相距越遠(yuǎn),天線與超材料的層間耦合越小,對(duì)無覆層天線的散射參數(shù)影響也就越輕微。所以,當(dāng)空心層板從2 mm 增加到8 mm 時(shí)多層天線越趨近無覆層天線的工作頻點(diǎn)。當(dāng)HS=5 mm 時(shí),諧振點(diǎn)分別位于2.73,3.4 和5.9 GHz,能夠覆蓋5G、ISM-2.4 GHz 以及車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的C-V2X 頻段。

圖7 不同厚度Hs 下PET-ZIM 仿真結(jié)果。(a)回波損耗;(b)輻射增益Fig.7 Simulated results of PET-ZIM antenna at different Hs.(a) Return loss;(b) Gain

在層間耦合的影響下,觀察增益隨頻率變化的仿真性能曲線。圖7(b)表示了當(dāng)HS=5 mm 時(shí),在三個(gè)諧振點(diǎn)下增益分別提升了1.26,3.23 以及0.98 dB。整體表現(xiàn)出當(dāng)HS越大,輻射增益提升效果越強(qiáng)的趨勢(shì)。并且,3.4 GHz 工作頻點(diǎn)附近的增益提升效果最明顯,原因在于ZIM 單元在3.4 GHz 處展現(xiàn)出了更優(yōu)越的近零特性,有利于電磁波輻射聚束。

不僅需要進(jìn)一步驗(yàn)證增益改進(jìn)的效果,還要能夠指向ZIM 覆層在天線輻射波調(diào)控方面發(fā)揮的作用。如圖8所示,由PET-ZIM 天線的3D 輻射方向圖可知,ZIM覆層的加入增強(qiáng)了原天線雙向輻射中覆層所在位置的方向性。當(dāng)遠(yuǎn)場(chǎng)監(jiān)視器頻點(diǎn)設(shè)置在3.4 GHz 時(shí),與無覆層天線相比,主瓣上的方向性系數(shù)增加了2.2 dBi,半功率波束角HPBW 在E 面和H 面上分別減少了17.2°和27.4°。天線的輻射波束向零折射率覆層的方向呈現(xiàn)出集中趨勢(shì),證明在空心PET 填充層支撐下的多層透明天線符合預(yù)期增益改善目標(biāo),保證了較高的透明度。

圖8 無覆層天線與PET-ZIM 天線的3D 輻射方向圖Fig.8 3D radiation patterns of single-layer antenna and PET-ZIM antenna at 3.4 GHz

圖9 天線實(shí)物測(cè)試圖Fig.9 Photograph of the fabricated antenna measurement

4 測(cè)量結(jié)果與分析

與傳統(tǒng)天線相比,透明天線選取的導(dǎo)電材料較為特殊,需要兼顧透明薄膜在光學(xué)和電學(xué)兩方面的性質(zhì)。首先在玻璃基板上沉積一層納米級(jí)ITO,根據(jù)表面阻值來確定膜厚,再通過激光刻蝕規(guī)劃出天線圖案,天線實(shí)物與其測(cè)試系統(tǒng)如9 圖所示。通過SMA 頭連接天線和同軸線,并使用電校準(zhǔn)后的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Agilent N5244A)測(cè)量其阻抗匹配性能。如圖10 所示,與仿真結(jié)果相比,無覆層天線實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的工作頻點(diǎn)存在向低頻偏移24～41 MHz 的現(xiàn)象,加載5 mm 厚度的空心PET 填充層后,對(duì)比仿真結(jié)果同樣產(chǎn)生13～176 MHz 的頻偏,其諧振頻率分別工作在2.66,3.31以及5.89 GHz,能夠覆蓋車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境部分應(yīng)用頻段,仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致。通過使用微波暗室配合寬帶喇叭天線來測(cè)試透明天線的輻射方向圖,如圖11所示。

圖10 回波損耗實(shí)測(cè)結(jié)果。(a)無覆層天線;(b)PET-ZIM 天線Fig.10 Measured results of return loss.(a) Single-layer antenna;(b) PET-ZIM antenna

圖11 無覆層天線與PET-ZIM 天線的方向圖實(shí)測(cè)結(jié)果。(a) 2.4 GHz;(b) 3.4 GHz;(c) 5.7 GHz;(d)不同天線在3.4 GHz 處yoz 面的對(duì)比Fig.11 Measured 2D radiation patterns of single-layer antenna and PET-ZIM antenna.(a) 2.4 GHz;(b) 3.4 GHz;(c) 5.7 GHz;(d) Comparison of yoz-plane for different antennas at 3.4 GHz

由于理想環(huán)境與實(shí)際環(huán)境間的差異,在主瓣方向上輻射增益的實(shí)測(cè)結(jié)果降低了0.16～3.42 dB,總體呈現(xiàn)出與仿真一致的雙向輻射趨勢(shì),如圖11(a～c)。根據(jù)圖11(d)可知,在3.40 GHz 處,加載了ZIM 覆層的天線輻射增益對(duì)比無覆層天線提升了大約2.14 dB,且主瓣方向性增強(qiáng),輻射波束向ZIM 覆層方向集中。

回波損耗和方向圖產(chǎn)生誤差的原因有三點(diǎn): 一是因?yàn)榛褰殡姵?shù)在仿真與實(shí)物上的差異;二是ITO導(dǎo)電薄膜面阻值的差異,實(shí)物的面阻值往往會(huì)高于仿真阻值;三是由于SMA 接頭與饋線連接問題,在玻璃和ITO 材料上不適用熱焊接,只能采用導(dǎo)電夾針法進(jìn)行連接,從而造成一定的阻抗失配。

目前出現(xiàn)了部分聲稱可替代ITO 的透明材料,如納米級(jí)銀膜混合CNT 油墨、金屬納米結(jié)構(gòu)(AgNWs)和聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT∶PSS)。從性能角度分析,該材料的電學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)為面阻值,同時(shí),光學(xué)性能可以保持在80%～90%良好狀態(tài)[23]。但是,ITO的替代品材料造價(jià)浮動(dòng)大,工藝不成熟,未進(jìn)行普及的同時(shí)缺乏廣泛應(yīng)用的潛質(zhì),在天線的設(shè)計(jì)和制造上的實(shí)用性不如金屬氧化物薄膜。

最后,與不同導(dǎo)電材料下諧振環(huán)[16,22]、人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)AMC[17,19]以及零折射率[20-21]超材料天線進(jìn)行對(duì)比,如表3 所示,表中NT 表示該天線不具備光透明性。針對(duì)透明天線的超材料增益提升方法,研究局限在高阻值的AgHT-8 中,而本文的低阻值ITO 多層透明天線采用了零折射率透射覆層,不僅能夠保持優(yōu)良的透明性,還能夠大幅提升增益至8.25 dBi,改善了透明導(dǎo)電薄膜因電導(dǎo)率低而產(chǎn)生的損耗問題,甚至能夠媲美傳統(tǒng)金屬材料的天線增益性能。

表3 本文天線與現(xiàn)有超材料天線的對(duì)比Tab.3 Comparison of metamaterial antenna in existing research

5 結(jié)論

本文提出了一種多頻、易集成且增益提升的多層透明天線,通過平行加載ZIM 覆層調(diào)控天線的輻射波束,從而聚攏主方向上的輻射能量。仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果表明,該天線可以工作在2.73,3.4 和5.9 GHz 頻率,峰值方向性系數(shù)能夠達(dá)到8.25 dBi,增益最高能夠提升3.23 dB,具備良好的透明度與實(shí)用性,克服了ITO因歐姆損耗影響到天線輻射性能的問題。PET-ZIM 天線適用于車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的車窗集成,同時(shí),天線所具備的多頻性滿足了智能汽車與其他交通工具、移動(dòng)設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施間的無線通信交互功能。