一种基于超材料的小型化宽带微带天线

武警工程大学 何杨炯武警工程大学理学院 张世全武警工程大学 李雪健

一种基于超材料的小型化宽带微带天线

武警工程大学 何杨炯
武警工程大学理学院 张世全
武警工程大学 李雪健

【摘要】分别将创新设计的“正方形”和“四方形”超材料单元刻在普通微带天线的辐射贴片和接地板上，设计了工作在3.66GHz-14.42GHz的一种小型化宽带高增益微带天线。与原始的天线相比，新型天线的谐振中心频率降低了34.8%，相对带宽从3.76%扩展到229.9%，同时保持了良好的增益。实物测试结果与仿真结果吻合较好。因为超材料的左手传输特性影响了微带天线介质基板的等效媒质参数，导致天线的辐射场主要集中在水平方向，而不是传统的微带天线的垂直方向。

【关键词】小型化；微带天线；宽带；超材料

0 引言

实现天线的小型化一直是科研工作者的研究热点，常用的方法包括加载无源集总元件、加载特殊材料基板、增加接地板等。这些研究都是为了寻求在不牺牲天线的带宽和增益的情况下减小天线的尺寸的途径。自从超材料理论的提出和证实后［1］，基于超材料的天线性能越来越得到重视［2］［3］。研究发现［4］，利用超材料的后向波特性，可以设计出远小于半波长的谐振腔，即天线谐振尺寸无须满足半波长条件，而是由左手介质与传统介质的填充比决定。利用这一特性实现天线小型化设计成为新的研究热点。本文利用创新设计的“正方形”和“四方形”超材料单元分别蚀刻在普通微带天线的辐射贴片和接地板上，仿真和测试证明了新型天线不仅达到了小型化目的，还大大拓展了带宽，同时保持了良好的增益。

图1（a） 天线俯视图

图1（b） 接地板

图1（c） 天线单元格

图1（d） 基板单元格

1 天线的设计

原型天线的设计参考文献［5］，将天线基板仍选择介电常数εr=2.2的Duroid 5880，厚度h由0.794mm改为1mm。在传统的微带天线的基础上，地板周期蚀刻“四方形”超材料单元，辐射贴片上以3×4周期蚀刻新型的“正方形”超材料单元，得到新型天线如图1所示。为了使新型天线和原型天线在馈电输入能量上保持一致，在馈电微带线下方和四周没有蚀刻超材料单元。天线尺寸大小是：Lx=28mm，Ly=32mm，辐射贴片L1=12mm，L2=16mm，馈电微带线的宽是s=2.25mm，长p=12mm，W1=9.875mm，W2=8mm，T=12mm，接地板上的条形缝隙的宽度g=0.6mm。图1（c）为图1（a）中天线辐射贴片中截取的一个超材料单元，其规格是a1=4mm，a2=3.6mm，a3=3mm，。图1（d）为图1（b）中接地板中截取的一个超材料单元，其规格是b1=4mm，b2=1.5mm，b3=0.3。微带天线的负载阻抗为50Ω。

因为超材料在传播电磁波的相速（vp）和群速（vg）方向相反，电场E、磁场H、波矢量k满足左手定则，而不是常规介质中的右手定则，波矢量k与波印廷矢量S的方向相反，具有左手传输特性和后向波特性［4］，能在不改变天线初始尺寸的前提下，降低了天线的谐振中心频率。

分析新型天线结构可以看到，天线辐射贴片和接地板分别蚀刻“正方形”和“四方形”超材料单元图案起了关键性的作用。根据Babinet原理在超材料设计中的应用［6］，天线辐射贴片和接地板耦合形成一个电容电感C-L等效电路（如图2所示），天线串联了N个线元等效电路P，新型超材料单元对介质基底的等效媒质参数产生了强烈的影响，有效地增加天线的带宽，并且诱导后向波沿辐射贴片所在的平面传播。因此，沿贴片方向的辐射能量显著增强。同时，由文献［4］的天线小型化理论可知，天线将突破半波长的限制，谐振频率将向低频偏移，同时也会对天线的辐射性能产生影响。

图2 线元等效电路图

2 天线性能分析

利用基于电磁场有限元法的三维电磁仿真软件Ansoft HFSS进行仿真分析。天线的回波损耗和驻波比仿真如图3和图4所示。

图3 天线回波损耗S11

图4 天线驻波比VSWR

从图3可以看出，根据仿真数据，未在接地板和辐射贴片上蚀刻图案的初始原型天线（红色线）的谐振中心频率为7.18GHz，S11值低于-10dB的带宽为7.04GHz-7.31GHz，共0.27GHz。加载了超材料单元的新型天线带宽为3.66-14.42GHz，共10.76GHz，是原天线带宽的39.8倍，新型天线的中心频率从原天线的7.18GHz降到4.68GHz，降低34.8%。而且新型天线回波损耗的最低点达-37.67dB，比原天线的回波损耗最低值-25.30dB降低12.74dB。从图4中给出的驻波比图可以看出，新型天线VSWR值在4.18-14.38GHz的带宽中，约一半都在1.5以下。低的驻波比值表明新型天线辐射效率较高，损耗较小。

由于超材料的左手传输特性，新型天线最大辐射方向是在水平方向而不是传统微带天线的垂直方向［7］［8］。为证实天线的这一特性，在工作带宽内随机选取了四个频点，分别为4GHz、6GHz、11GHz和13GHz，图5给出了天线E、H面的仿真图，图6给出了仿真得到的天线三维辐射方向图。图5（b）、（c）、（d）清楚显示出，在6GHz、11GHz和13GHz频点，天线辐射能量主要集中在约-90°方向，而频率为4GHz时，从图5（a）中可以看出，天线并没有这样的特性，这是因为在4GHz时，超材料并没有表现出左手特性。

图5（a） 4GHz，仿真 图5（b） 6GHz，仿真

图5（c） 11GHz，仿真 图5（d） 13GHz，仿真

图6（a） 4GHz

图6（b） 6GHz

图6（c） 11GHz

图6（d） 13GHz

可以看到，由于天线受到超材料左手传输特性的影响，天线同一频点的增益峰值并没有像一般的天线那样全部出现在E面或H面，这是正常的现象。另外，天线在工作频段内的增益大致随着频率的增加而增加，原因是天线的原尺寸是为用于工作在谐振中心频率为7.18GHz而设计，对于新型天线的低频段，天线的辐射特性为全向，分散了能量，因此增益峰值较低。在高频段由于天线的端射特性，能量较集中，则能保持高增益。

3 结束语

本文利用一种新型的超材料单元，设计了一种新型的微带天线，经过仿真分析和实物测试，证明了新型天线比原来的天线的谐振中心频率降低了44.8%（从7.83GHz降低到4.68GHz），达到较好的小型化目的，而且让带宽从270MHz（7.04GHz-7.31GHz）扩展到10.76GHz（3.66GHz-14.42GHz，是原天线的39.8倍），同时，在约一半的工作带宽内，VSWR值低于1.5，也保持了良好的增益。本文工作为微带天线的进一步开发研究提供了新的思路。

参考文献

［1］D.R.Smith，J.B.Pendry，M.C.K.Wiltshire.Metamaterials and negative refractive index［J］.Science 305（2004）∶788-792.

［2］冉立新，陈红胜，皇甫江涛等.异向介质研究进展［J］.微波学报，2004，20（3）∶89-94.

［3］郑月军，高军，曹祥玉等.基于FSS的双频高增益微带天线［J］.微波学报，2014，30（5）∶54-58.

［4］Engheta N.An idea for thin subwavelength cavity resonators using metamaterials with negative permittivity and permeability［J］.IEEE Antennas Wireless Propagation Letters，2002（1）∶10-13.

［5］Le-Wei Li，Ya-Nan Li，Tat Soon Yeo，et al.A broadband and high-gain metamaterial microstrip antenna［J］.Applied Physics Letters，201 0，96（16）∶4101-4103.

［6］F.Falcone，T.Lopetegi，M.A.G.Laso，et al.Babinet principle applied to the design of metasurfaces and metamaterials［J］.Physical Review Letter s，2004，93（19）∶7401-7404.

［7］Yang R，Xie Y J，Wang P，Li L.Characteristics of millimeter wave microstrip antennas with left-handed materials substrates［J］.Applied Physics Letters，2006，89∶064108.

［8］Yang R，Xie Y J，Li X F，et al.Casality in the resonance behavior of metamaterials［J］.Europhys Letters，2008，84∶34001.

Metamaterial-based Miniaturized Broadband Microstrip Antenna*

HE Yangjiong1，ZHANG Shiquan2，LI Xuejian1
（1.Engineering University of CAPF Postgraduate Brigade，Shanxi Xi’an 710086，China；2.Engineering University of CAPF School of Science，Shanxi Xi’an710086，China）

Abstract：The novel designed“square”metamaterial units were etched on upper patches with ordinary microstrip antenna and the bottom ground plane，respectively，thus working out a miniaturized broadband high-gain microstrip antenna working under 3.66GHz-14.42GHz.Compared with the original antenna，the resonance center frequency of the new antenna is decreased by 34.8%；the relative bandwidth is expanded to 229.9% from 3.76% while favorable gain is maintained.The material test results and the simulation results are in line with each other.The performance improvement is attributed to the fact that the left-hand transmission features of metamaterial affected the equivalent medium parameters of the microstrip antenna dielectric substrate，and the radiation field of the antenna concentrates on the horizontal direction rather than the vertical direction for traditional bandwidth antenna.

Key words：miniaturization；microstrip antenna；broad bandwidth；metamaterial

基金项目：国家自然科学基金项目（61072034、51302318）；陕西省自然科学基金项目（2011JQ6013）；武警工程大学基础研究项目（WJY-201404，WJY-201406）。

作者简介：

何杨炯（1992—），男，陕西西安人，硕士，主要研究方向：超材料在天线中的应用，电磁场数值方法。

张世全（1961—），男，陕西西安人，博士，武警工程大学教授，主要研究方向：无源互调、电磁兼容和电磁场数值方法。

李雪健（1992—），男，陕西西安人，硕士，主要研究方向：天线设计，电磁场数值方法。