基于非均匀特异媒质的赋形天线设计

方福衣　陈星

摘 要： 在PCB板表面蚀刻不同尺寸的微带单元结构，构建非均匀特异媒质层，并将其放置在天线辐射单元前方，利用非均匀特异媒质层对电磁波不同的反射系数，实现对天线辐射波束的赋形。设计了由不同尺寸正方形贴片组成的非均匀特异媒质层，并放置于工作频率为5.8 GHz的矩形贴片天线前方。仿真和测试表明：该非均匀特异媒质层能够在基本保持贴片天线工作频点和回波损耗曲线不变条件下，通过调整与贴片天线距离，实现辐射波束由笔形波束向宽角波束和马鞍形波束的赋形转换。为赋形天线设计提供了一种有效的新方法。

关键词： 特异媒质； 宽角赋形天线； 马鞍形赋形天线； 回波损耗

中图分类号： TN820.1?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）11?0096?05

Abstract： The non?uniform metamaterial layers are built by engraving microstrip units with different size on the surface of PCBs. Through placing a proposed metamaterial layer in front an antenna and making use of the spatial varying reflection coefficient of the non?uniform metamaterial layer for the electromagnetic wave， the radiation pattern of the antenna can be shaped. In this paper， a proposed layer consisted of square patches with different size is designed and then placed in front of a rectangular patch antenna working at a frequency of 5.8 GHz. Both simulation and measurement show that the non?uniform metamaterial layer is able to realize the conversion of the antennas radiation pattern from a pencil? shaped beam to a wide beam pattern or a saddle?shaped beam， through adjusting the distance between the patch antenna and the metamaterial layer， while the antennas working frequency and return loss curve almost remain unchanged. The research result provided a new method for the design of the shaped beam antenna.

Keywords： metamaterial； wide shaped beam antenna； saddle?shaped antenna； return loss

0 引 言

随着无线通信、雷达和遥感遥测等科技的发展，对天线的性能要求越来越高，许多应用领域要求对天线波束进行赋形，即赋形天线[1]。卫星通信、通信基站、雷达、遥感遥测、飞行器通信等领域都广泛应用着各种赋形天线。例如，宽角波束赋形天线，其辐射方向图的主瓣空间角大，可以实现大范围的波束信号覆盖，飞行器遥控系统天线，我国的北斗双星定位系统天线，美国的GPS系统天线均需要使用这种宽角波束天线[2]。在卫星对地通信、空对地雷达搜索等应用中，考虑到地球表面的曲线影响，天线主波束边缘和中央轴向与地面之间有较大距离差，马鞍形波束赋形天线能够补偿到地面的距离不同引起的损耗差异[3?4]，实现整个主波束对地面的均匀电磁照射。

传统的赋形天线设计方法一般可以分为：反射面赋形[5]和阵列赋形[6]。反射面赋形，通过加载反射面，对馈源发出的电磁波进行反射叠加在远场形成合适的方向图，反射面赋形可以是多馈源元天线，也可以是单馈源的天线。多馈源反射面赋形，一方面可以通调节馈源激励幅度和激励相位，另一方面还可以调节反射板的形状、大小、放置位置来对天线方向图进行赋形，这样大大增加了赋形的灵活度，能够完成对复杂方向图的赋形。但天线系统的大量开销将花费在设计和调整波束形成网络上，并且复杂的波束形成网络会引起射频损耗降低天线系统的增益[7]。单馈源反射面赋形克服了多馈源赋形损耗大的缺点，结构也相对简单，但是赋形能力有限[8]。阵列赋形属于阵列天线方向图综合的范畴，是利用馈电功分网络，通过调整阵元的激励幅度，激励相位，或者调整阵元之间的间隙来改变天线辐射方向图。传统的阵列赋形方法例如：切比雪夫多项式法，傅里叶变换法，泰勒法，伍德沃德法，这些方法很难完成对复杂方向图的综合[9]。赋形馈电网络射频损耗也比较大，综合时候未考虑单元之间的互耦，精度相对较低。但与反射器赋形天线，因为不需要放置反射板，因而结构轻巧，便于安装和使用。

特异媒质（Metamaterials）是指具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料，它具有任意的（甚至是负数）的介电常数和磁导率[10]。例如具有负介电常数和负磁导率的左手材料，还有频率选择表面（Frequency Selective Surface， FSS）、高阻表面（High Impedance Surface）等。特异媒质的独特电磁特异已广泛应用于天线设计中，例如提高天线增益[11?13]、拓展天线带宽[14?16]等。

本文研究将特异媒质应用于赋形天线的设计，采用在PCB板表面蚀刻微带单元结构来构建特异媒质层，并放置在天线前方，在保持天线阻抗匹配特性基本不变的条件下实现天线波束的赋形。但迥异于通常的特异媒质采用周期性单元结构，本文中特异媒质层中微带单元具有不同尺寸，为非均匀单元结构。利用非均匀单元对电磁波不同的反射系数实现波束赋形，通过调节特异媒质层和辐射天线之间距离，一种非均匀特异媒质层能够实现宽角波束和马鞍形波束等不同赋形。

1 赋形天线设计

1.1 微带贴片天线设计

图1（a）所示的矩形贴片天线采用同轴顶馈的馈电方式，工作频点为5.8 GHz，制作在介电常数为2.65，尺寸为[W]=[L]=82 mm和厚度[h]=1 mm的PCB板上。该天线其他结构参数为：[Lx]=21 mm，[Ly]=15 mm，[d]=4.2 mm。图1（b）为该天线的加工实物图。

图2和图3为该贴片天线的CST软件仿真和实验测试的回波损耗曲线和5.8 GHz方向图，可以看出仿真和测试吻合良好，该天线方向图为典型的贴片天线所具有的笔形波束。

1.2 非均匀特异媒质设计

赋形天线是在以上设计的微带贴片天线的基础上，通过加载非均匀特异媒质层来达到赋形的作用，在天线的工作频点基本不偏移和[S11]不恶化的前提下，实现笔形波束向宽角波束和马鞍形波束的赋形转变。

如图4（a）所示，非均匀特异媒质层是在PCB板上印刷不同大小矩形金属贴片构建而成，特异媒质层与矩形贴片天线之间为空气层，两层之间间距为[dis，]采用聚四氟乙烯柱进行支撑和隔离。特异媒质层PCB介质基板介电常数为2.65，厚度为0.5 mm。本文设计的特异媒质层由四种大小不一的单元，命名为：[A1，][A2，][A3，][A4。]这些单元按照一定规律排列组成：在[x]和[y]轴方向，即[A1，][A2，][A3]单元正方形金属贴片边长分别为[L1]、[L2]、[L3]，与相邻单元贴片的中心距离为[d1]，其他方向四个贴片，即[A4]距离中心贴片即[A1]单元的距离为[d2]，边长为[L4。]其中[L2=rL1，][L3=rL2，][L4=2rL1，][d2=2d1，][r]为比例因子。特异媒质层的结构参数值为：[L1]=4 mm，[d1]=14 mm，[r]=1.2。图4（b）为安装了非均匀特异媒质层的赋形天线照片。

1.3 宽角波束赋形天线设计

当贴片天线和特异媒质层的距离[dis]=7.3 mm时，该天线呈现为一种宽角波束赋形天线。图5和图6对比了加载和未加载特异媒质层的天线[S11]实测曲线和实测辐射方向图。可以清楚地看出，加载特异媒质层后，天线工作频点和[S11]曲线变化很小，基本保持不变。而天线方向图变化明显，天线增益由7.2 dBi下降为6.2 dBi，天线的波束半功率角显著加宽，E面半功率角达到了139°，比未加载特异媒质层的贴片天线提高了37°，H面半功率角达到了140°，提高了62°，天线方向图由未加载前的笔形波束赋形为宽角波束。

1.4 马鞍形波束赋形天线设计

当贴片天线和特异媒质层的距离[dis]=15 mm时，该天线呈现为一种马鞍形波束赋形天线，这可以从图7和图8的天线[S11]曲线和方向图的实测数据中清楚地看出。对马鞍形波束赋形天线，天线工作频点（5.8 GHz）和[S11]曲线仍基本保持不变，而天线方向图形状为中央轴向增益低（-2 dBi），主波束边缘增益高（6.9 dBi），最大增益出现在[±45°]方向上，为明显的马鞍形状。

2 分 析

本文构造的非均匀特异媒质层上有4种大小不一致的单元，如图4（a）所示，分别命名为[A1，][A2，][A3，][A4。]利用电磁仿真软件和波导法[17]能够计算得到这些单元的反射系数，见表1。可以看到，非均匀特异媒质层上4种单元对电磁波有不一样的反射系数。

利用特异媒质层来设计宽角赋形天线和马鞍形赋形天线，它们的实现方式是相似的：既要消减矩形贴片天线主辐射方向的增益，又要填补四周辐射方向上较小的增益。其原理可以利用非均匀特异媒质层上单元对电磁波的不同反射系数，改变天线电磁近场分布，进而改变天线的远场方向图。由于特异媒质层对天线近场的影响与特异媒质层和辐射天线之间距离有关，因此可以利用同一特异媒质层，通过调节距离值实现这两种赋形效果。图9的仿真结果可以清楚地看到特异媒质层造成天线近场（电场强度分布）的明显变化，中央轴向上的辐射场强被减弱，而对应原笔状波束边缘方向上的辐射场强被明显地加强。

3 结 语

赋形天线是一类在诸多领域应用广泛的天线类型，本文提出了一种新的赋形天线设计方法：设计微带结构的非均匀特异媒质层，加载在天线前方，利用特异媒质层中大小不同单元对电磁波不同的反射系数，改变辐射天线的近场分布，进而改变天线远场方向图，实现波束赋形。作为典型例，本文设计了由大小不同的正方形贴片组成的非均匀特异媒质层，并成功地实现了对一种矩形贴片天线的波束赋形，将矩形贴片天线的笔形波束赋形为宽角波束和马鞍形波束。

值得指出的是，仿真计算和实验测试都表明，本文设计的非均匀特异媒质层能够在基本不影响矩形贴片的工作频点和回波损耗曲线的前提下实现波束赋形，并且可以通过简单地调整特异媒质层与贴片天线之间距离来实现宽角和马鞍形两种不同的波束赋形。该赋形能力是传统赋形天线设计方法不具备，因此本文提出的赋形天线设计新方法不仅具有新颖性，同时有强大的赋形天线设计能力，在赋形天线的工程设计中具有广阔的推广应用前景。

参考文献

[1] 李浩.阵列天线波束赋形研究[D].西安：西北工业大学，2004.

[2] SU C W， HUANG S K， LEE C H. CP microstrip antenna with wide beamwidth for GPS band application [J]. Electronics Letters， 2007， 43（20）： 1062?1063.

[3] MINATTI G， MACI S， DE VITA P， et al. A metasurface isoflux antenna and potential beam reconfigurability [C]// Procee?dings of 2012 6th European Conference on Antennas and Pro?pagation （EUCAP）. [S.l.]： IEEE， 2012： 2613?2617.

[4] 贾铂奇.阵列天线多波束赋形技术研究[D].上海：中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所），2007.

[5] RUSCH W. The current state of the reflector antenna art [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 1984， 32（4）： 313?329.

[6] CHERRETTE A， CHANG D. Phased array contour beam sha?ping by phase optimization [C]// Proceedings of Antennas and Propagation Society 1985 International Symposium. Vancouver， Canada： Antennas and Propagation Society， 1985， 23： 475?478.

[7] 谢苏隆，钟鹰.赋形天线研究[J].微型机与应用，2010，29（10）：1?4.

[8] 孙雷洪，郭文嘉.单馈源赋形反射面天线研究[J].空间电子技术，1995（2）：27?37.

[9] STUTZMAN W L.天线理论与设计[M].朱守正，译.北京：人民邮电出版社，2006.

[10] 孙树林.电磁特异介质若干理论问题研究[D].上海：复旦大学， 2009.

[11] LEE Y J， PARK W S， YEO J， et al. Directivity enhancement of printed antennas using a class of metamaterial superstrate [J]. Electromagnetics， 2006， 26（3/4）： 203?218.

[12] LIN H H， WU C Y， YEH S H. Metamaterial enhanced high gain antenna for WiMAX application [C]// TENCON 2007 IEEE Region 10 Conference. Taipei， China： IEEE， 2007： 1?3.

[13] LIU H N， SU H L， LIN K H， et al. Design of antenna radome composed of metamaterials for high gain [C]// IEEE 2006 Antennas and Propagation Society International Symposium. [S.l.]： Antennas and Propagation Society， 2006： 19?22.

[14] LEE J， LIM S. Bandwidth?enhanced and polarisation?insensitive metamaterial absorber using double resonance [J]. Electronics letters， 2011， 47（1）： 8?9.

[15] YANG R， XIE Y， LI D， et al. Bandwidth enhancement of microstrip antennas with metamaterial bilayered substrates [J]. Journal of Electromagnetic waves and Applications， 2007， 21（15）： 2321?2330.

[16] JI J K， KIM G H， SEONG W M. Bandwidth enhancement of metamaterial antennas based on composite right/left?handed transmission line [J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters， 2010， 9： 36?39.

[17] BOUGHRIET A H， LEGRAND C， CHAPOTON A. Noniterative stable transmission/reflection method for low?loss material complex permittivity determination [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， 1997， 45（1）： 52?57.

[18] 钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，1991.

[3] MINATTI G， MACI S， DE VITA P， et al. A metasurface isoflux antenna and potential beam reconfigurability [C]// Procee?dings of 2012 6th European Conference on Antennas and Pro?pagation （EUCAP）. [S.l.]： IEEE， 2012： 2613?2617.

[4] 贾铂奇.阵列天线多波束赋形技术研究[D].上海：中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所），2007.

[5] RUSCH W. The current state of the reflector antenna art [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 1984， 32（4）： 313?329.

[6] CHERRETTE A， CHANG D. Phased array contour beam sha?ping by phase optimization [C]// Proceedings of Antennas and Propagation Society 1985 International Symposium. Vancouver， Canada： Antennas and Propagation Society， 1985， 23： 475?478.

[7] 谢苏隆，钟鹰.赋形天线研究[J].微型机与应用，2010，29（10）：1?4.

[8] 孙雷洪，郭文嘉.单馈源赋形反射面天线研究[J].空间电子技术，1995（2）：27?37.

[9] STUTZMAN W L.天线理论与设计[M].朱守正，译.北京：人民邮电出版社，2006.

[10] 孙树林.电磁特异介质若干理论问题研究[D].上海：复旦大学， 2009.

[11] LEE Y J， PARK W S， YEO J， et al. Directivity enhancement of printed antennas using a class of metamaterial superstrate [J]. Electromagnetics， 2006， 26（3/4）： 203?218.

[12] LIN H H， WU C Y， YEH S H. Metamaterial enhanced high gain antenna for WiMAX application [C]// TENCON 2007 IEEE Region 10 Conference. Taipei， China： IEEE， 2007： 1?3.

[13] LIU H N， SU H L， LIN K H， et al. Design of antenna radome composed of metamaterials for high gain [C]// IEEE 2006 Antennas and Propagation Society International Symposium. [S.l.]： Antennas and Propagation Society， 2006： 19?22.

[14] LEE J， LIM S. Bandwidth?enhanced and polarisation?insensitive metamaterial absorber using double resonance [J]. Electronics letters， 2011， 47（1）： 8?9.

[15] YANG R， XIE Y， LI D， et al. Bandwidth enhancement of microstrip antennas with metamaterial bilayered substrates [J]. Journal of Electromagnetic waves and Applications， 2007， 21（15）： 2321?2330.

[16] JI J K， KIM G H， SEONG W M. Bandwidth enhancement of metamaterial antennas based on composite right/left?handed transmission line [J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters， 2010， 9： 36?39.

[17] BOUGHRIET A H， LEGRAND C， CHAPOTON A. Noniterative stable transmission/reflection method for low?loss material complex permittivity determination [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， 1997， 45（1）： 52?57.

[18] 钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，1991.

[3] MINATTI G， MACI S， DE VITA P， et al. A metasurface isoflux antenna and potential beam reconfigurability [C]// Procee?dings of 2012 6th European Conference on Antennas and Pro?pagation （EUCAP）. [S.l.]： IEEE， 2012： 2613?2617.

[4] 贾铂奇.阵列天线多波束赋形技术研究[D].上海：中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所），2007.

[5] RUSCH W. The current state of the reflector antenna art [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 1984， 32（4）： 313?329.

[6] CHERRETTE A， CHANG D. Phased array contour beam sha?ping by phase optimization [C]// Proceedings of Antennas and Propagation Society 1985 International Symposium. Vancouver， Canada： Antennas and Propagation Society， 1985， 23： 475?478.

[7] 谢苏隆，钟鹰.赋形天线研究[J].微型机与应用，2010，29（10）：1?4.

[8] 孙雷洪，郭文嘉.单馈源赋形反射面天线研究[J].空间电子技术，1995（2）：27?37.

[9] STUTZMAN W L.天线理论与设计[M].朱守正，译.北京：人民邮电出版社，2006.

[10] 孙树林.电磁特异介质若干理论问题研究[D].上海：复旦大学， 2009.

[11] LEE Y J， PARK W S， YEO J， et al. Directivity enhancement of printed antennas using a class of metamaterial superstrate [J]. Electromagnetics， 2006， 26（3/4）： 203?218.

[12] LIN H H， WU C Y， YEH S H. Metamaterial enhanced high gain antenna for WiMAX application [C]// TENCON 2007 IEEE Region 10 Conference. Taipei， China： IEEE， 2007： 1?3.

[13] LIU H N， SU H L， LIN K H， et al. Design of antenna radome composed of metamaterials for high gain [C]// IEEE 2006 Antennas and Propagation Society International Symposium. [S.l.]： Antennas and Propagation Society， 2006： 19?22.

[14] LEE J， LIM S. Bandwidth?enhanced and polarisation?insensitive metamaterial absorber using double resonance [J]. Electronics letters， 2011， 47（1）： 8?9.

[15] YANG R， XIE Y， LI D， et al. Bandwidth enhancement of microstrip antennas with metamaterial bilayered substrates [J]. Journal of Electromagnetic waves and Applications， 2007， 21（15）： 2321?2330.

[16] JI J K， KIM G H， SEONG W M. Bandwidth enhancement of metamaterial antennas based on composite right/left?handed transmission line [J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters， 2010， 9： 36?39.

[17] BOUGHRIET A H， LEGRAND C， CHAPOTON A. Noniterative stable transmission/reflection method for low?loss material complex permittivity determination [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， 1997， 45（1）： 52?57.

[18] 钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，1991.