新型电磁材料微带天线的综述

汪大军 ，王彦虎 ，廖永波 ，3

（1.西南石油大学 基建处，四川 成都 610000；2.电子科技大学 能源科学与工程学院，四川 成都 611731；3.电子科技大学 电子薄膜与集成器件国家重点实验室，四川 成都 611731）

0 引言

随着各种网络设备的应用普及和超宽带无线通信技术的发展，人们对宽带高增益天线有了更高的需求，主要体现在频带的范围更广，便于安装、架设和携带，同时具有较高的效率和增益。微带天线因所具有的优点，如体积小、重量轻、结构稳定、剖面低、馈电方式灵活、成本低、易与设备共形、易产生线极化波和圆极化波等，深受人们的青睐，在应用方面得到了迅速的推广。但微带天线由于其独特自身结构及实现原理，有着固有的缺陷，即阻抗带宽较窄，单片天线增益较低，这两项缺陷成为了限制其广泛应用的主要障碍。因此，研究如何展宽微带天线的带宽并提高天线增益有着十分重要的意义[1]。

新型电磁材料结构在这种背景下应运而生。新型电磁材料，又称超材料（Metamaterial），其凭借自身特殊的结构，产生了特殊的电磁属性，突破了传统电磁场理论中的一些重要概念，已经逐渐成为国际物理、材料和电磁领域的研究前沿和热点，其于2003年和2006年两次被美国《Science》杂志评为年度十大科技突破之一，且于2011年被评为美国21世纪前十年的十大科技之一[2]。将新型电磁材料结构应用到现代天线设计中，将大大改善天线的增益、带宽等电磁特性，极大提升常规天线的性能。

目前的天线设计方式主要依靠微波电子设计自动化(Electronic Design Automation，EDA)软件，而综合问题，更多的则是依赖于最优化技术。最优化问题求解的研究已经成为数学和计算机科学研究领域的重点。在实际工程设计中，许多最优化问题十分复杂，传统的方法难以解决。因此把全局优化算法运用到参数设计中具有较高的实际应用价值[3]。

1 微带天线的概述

Deschamps教授于1953年在研究如何将微带传输线传播的能量辐射出去时，提出了微带天线的概念。从二十世纪70年代起，微带天线技术迅速发展，逐渐成为了天线家族中独立的分支。与此同时，第一个实用微带天线也制作而成。微带天线属于一维小型天线，天线的长宽尺寸与波长一般来说在同一数量级，而天线的厚度仅有波长的百分之一左右[4]。

微带天线按照贴片形状的不同可以分为圆形贴片微带天线、矩形贴片微带天线、三角贴片微带天线等；按照结构不同可以分为微带贴片天线和微带缝隙天线两大类；按照工作原理不同可以分为微带行波天线和微带驻波天线等[4]。微带天线主要由接地板、介质板、辐射贴片以及馈线构成，可以通过侧馈电或者同轴馈电方式连接馈源。

在微带天线发展过程中，展宽微带天线的带宽始终是微带天线研究的热点和难点。目前已有许多途径来解决这个问题，例如采用低介电常的材料，增厚介质基片，附加寄生单元的共面结构，增加介质层数和利用宽频带阻抗匹配电路等，这些都可以大大展宽微带天线的工作带宽[5，6]。 但是，增厚介质基片的办法会增大天线表面波，产生一些对其性能有不利影响的辐射。表面波在介质中传播时，一部分会传播至天线的不连续处(例如天线横断面)，这样会使天线的极化纯度弱化，效率降低。由于微带天线的谐振特性可等效为一个高Q并联谐振电路，所以展宽微带天线的基本途径可以通过寻找降低等效谐振电路的Q值来实现，能够实现目的途径包括：修改等效电路、附加阻抗匹配网络[7]。常用的方法包括选择合适的基片、阶梯形基片、合适的贴片形状、合适的馈电技术、多层结构[8]、在贴片或接地板“开窗”、多模技术以 及 加 载 等[9，10]。

2 新型电磁材料的应用

新型电磁材料统称为Metamaterials，其中Meta是一个古希腊的单词前缀，有“超”的意思，一般译为“超材料”，亦即新型电磁材料[11]。这些材料都是人工合成材料，能够通过人为的方式，构造出不同的介质基板结构，实现特定的电磁功能，在电磁领域表现出一些在自然界中不存在的现象，如频率禁带、负折射率等[12-14]。当把它们应用于天线设计领域中时，可显著改善天线单元的性能，如提高增益、增加带宽[15]等。这些人工材料的出现，为克服当前在天线设计领域遇到的一些技术上的限制提供了可能的解决方案。新型电磁材料所具备的独特电磁特性使其成为电磁领域一个研究热点，其中尤以人工磁导体(Artificial Magnetic Conductor，AMC)的研究和应用最为广泛和深入[16-18]。

研究人员从倒L型单极子天线入手，分析了其在理想导体(Perfect Electric Conductor，PEC)接地表面时的不匹配现象，进而引入三种不同的AMC结构接地板来使得该天线达到匹配，并显著增强了天线在其中心频率处的输入阻抗带宽[19]，如图1所示。Wang等人研究了将AMC表面应用于接地板的地剖面谐振腔天线。该天线由接地板和金属电磁介质层阵列 (Metal Electromagnetic Bandgap，MEBG)构成，该阵列起到部分反射表面(Partially Reflective surface，PRS)的作用，同时使用微带天线来作为谐振腔的馈源，使用AMC接地板替代PEC接地板实现了将天线的剖面降低50%[20]，如图2所示。

图1 三种AMC单元的形状示意图

图2 天线结构和AMC单元示意图

Gonzalo利用基底打孔电磁带隙(Electro-magnetic Bandgap，EBG)结构(如图 3所示)，很好地抑制了贴片天线的表面波，减小了天线后向辐射，使天线增益有了大幅的提升。Llombart等人提出的平面圆对称EBG结构，如图4所示，具有易于制作、抑制所有沿径向传播的表面波的优点，使印刷天线的带宽提高到20%。Coccioli等人将共面紧凑式光子晶体(Uniplanar Compact Photonic Bandgap，UC-PBG)结构用于缝隙耦合馈电贴片天线，如图5所示，成功抑制了表面波，使得天线的边射增益提高了3 dB[21]。

图3 基底打孔EBG结构

图4 对称EBG结构

图5 UC-PBG结构

Hosseinipanah等人在原来传统AMC结构介质基板上，添加了第二层频率选择表面(Frequency selective surface，FSS)结构，构成双层 AMC(2L-AMC)结构，如图 6 所示，将传统AMC结构中使用的单层厚介质基板使用两层薄介质基板来替代，在同等基板厚度下达到同样的性能。最重要的是，这样的双层薄介质结构消除了传统设计中单层厚介质基板价格昂贵且难以制得的影响，同时为天线的性能优化提供了更多的可调节参数，更加有利于天线的精细化调节[22]。

图6 新型2L-AMC结构域传统单层AMC结构对比示意图

通过使用AMC结构来合理设计微带天线的辐射贴片和接地板，使二者在相同的频段分别产生电谐振和磁谐振，等效于构造了具有负介电常数和负磁导率的介质，从而构成了一种基于新型电磁材料的微带天线，实现了一般天线所不能达到的性能[23]。通过对以上文献内容分析综合，可以看出，仿真和测试结果均表明使用新型电磁材料结构所设计的天线带宽得到了极大提升，同时，在整个带宽范围内也保持了较高的增益[24]。由此可见，这种将新型电磁材料应用到天线中的设计方法具有非常广阔的研究前景。

3 优化算法在天线设计中的应用

在天线的实际研究和工程设计中，存在许多最优化问题，其中有些参数分析问题非常复杂，给研究和工程设计带来了巨大的困难。比如，在天线设计中最优化问题的函数往往是非线性、不可微分以及多参数的，这使得实现最优性能的参数和结构的选择变得十分困难[25]。在工程设计中，分析和综合是相辅相成的。工程的分析主要依赖于计算电磁学或者微波电子设计自动化(Electronic Design Automatic，EDA)辅助工具软件[26-28]。而综合问题，则更多的依赖于最优化算法。多数EDA软件中均包含了常规优化算法和全局优化算法，这些算法具有灵活性高，不容易陷入局部最优等优点，能够有效地进行全局搜索，所以应用优化算法来对天线进行多目标的优化设计具有很好的发展前景[3]。

Junho Yeo等研究人员提出了一种使用遗传算法来对多频天线介质地板进行优化的方法，其将天线介质地板反射系数的幅值和相位作为优化目标，在损失了一定带宽的基础上，得到了0°反射相位，提升了介质地板的性能[29]，如图7所示。杨帆等人将遗传算法引入到天线设计中进行参数优化，讨论了优化中的一些基本问题，如基因串的定义、遗传算法与矩量法的结合、适应度函数的设计以及控制参数的选择等，选择馈电点和贴片形状为敏感参数进行优化，得出了不同形状的微带天线，如图 8所示，分别具备了宽带和双频的特点[30]。这种使用遗传算法来进行天线设计优化的方法克服了以往微带天线参数研究工作量大、参数和结构选择具有一定盲目性的缺点，加速了天线设计周期，验证了遗传算法在微带天线优化设计中的有效性及优越性。

图7 使用遗传算法优化得出的AMC结构示意图

图8 使用遗传算法得出的宽带和双频天线贴片形状示意图

同时，有研究人员对多种全局优化算法进行分析，使用遗传算法[31]、微分进化策略、田口算法以及高效全局优化算法(Efficient Global Optimization，EGO)等对天线进行实际参数研究，分析了各种算法的异同点[3]，为后续研究提供算法理论基础，便于研究人员借鉴参考。因此，在实际优化应用中，应根据具体的问题，结合优化算法的自身优势来选择合适的算法，以便最大限度提升优化效率，得到全局最优解，实现天线的最优化设计。

4 结论

综上所述，新型电磁材料结构由于其优异的电磁性能，为高性能微带天线的设计提供了新的研究方向。研究人员以微带天线贴片和介质基板为研究重点，对多种平面一维和二维电磁带隙结构进行建模仿真，构建新型电磁材料结构，在提高天线性能方面取得了很大的进展[32]。同时，在天线设计过程中，将优化算法应用到新型电磁材料结构的参数研究上，大幅提升天线设计效率，能够快速有效地实现高性能微带天线的设计。

纵观新型电磁材料及相关优化算法在天线设计中的应用，可以预计：

(1)新型电磁材料在天线设计中的应用将会越来越普遍。

得益于理论学者对相关模型的进一步分析研究，新型电磁材料结构的理论模型将会越来越清晰，由于其独特的电磁特性，其在高增益宽带宽微带天线设计中将会得到越来越广泛的应用研究。

(2)新型电磁材料的结构将会越来越多样化。

目前新型电磁材料的建模多集中于简单一维二维结构，得益于相关建模仿真工具以及生产工艺的发展，复杂一维二维或者三维形式的新型电磁材料结构将会变得越来越普遍，其所具备的更多的可调节的参数将使得天线的设计更趋于精细化。

(3)优化算法在天线设计中的应用将会更加普遍化和多样化。

新型电磁材料的引入，使得天线设计有了更多的参数需要进行调节和匹配，这使得参数研究的难度和复杂度急剧提升。依靠EDA软件的参数扫描功能进行天线设计必然会花费较多的时间，并且由于参数扫描所具有的盲目性，难以快速有效地实现高性能天线的设计。优化算法由于其具备良好的全局搜索能力，能快速稳定地寻找到实现最优天线性能的参数和结构，能有效设计高性能天线，同时大幅缩短天线设计周期。对于天线设计中的复杂目标优化，单一算法可能会受自身特点的制约，难以快速有效地实现，所以多种算法的联合优化也会逐渐出现在天线设计当中。

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