一种多频带、小型化超材料微带天线

湖南汽车工程职业学院信息工程学院 张 超

湖南汽车工程职业学院车辆运用学院 王 哲

湖南汽车工程职业学院信息工程学院 刘洪亮 周思难 唐林英 夏敏纳

超材料作为一类新型的人工电磁材料，在天线的小型化领域中具有重要作用。通过在贴片微带天线中加载交指型超材料结构和带有缝隙地板结构，实现了天线小型化及多频带功能。相对传统微带天线，这种加载超材料的微带天线几何尺寸缩小59%，且具备良好的辐射特性，可应用于雷达、物联网、车载天线等领域。

微带天线是移动通信系统中不可缺少的信号收发装置，因其集成度高、制作成本低、尺寸小等特点而应用广泛。随着5G通信时代的到来，移动设备对尺寸和集成度的要求越来越高，微带天线的小型化研究成为相关科研工作者研究的热点。目前，小型化微带天线的研究主要采用加载短路枝节、附加有源网络以及提高介质基板介电常数等技术手段来实现的，但是这些技术存在一定缺陷，天线尺寸的减小会降低带宽和天线增益等指标。

超材料（Metamaterials）是呈现自然界材料不具备的超常物理性质的人工周期或非周期电磁结构。其最先由英国帝国理工大学Pendry教授提出，他提出利用周期性排布的开口谐振金属环结构可以实现负介电常数和负磁导率等奇特物理性质，其在天线的小型化领域中具有重要应用。目前，国内外关于超材料在微波器件和天线的小型化方面的研究成果层出不求。

通过对超材料小型化微带天线的国内外现状进行分析，本文拟采用在传统贴片微带天线的基础上加载一种交指型的超材料辐射贴片结构以及开缝的地板结构，可以显著减小微带天线的尺寸以及实现多频带、宽频带的性能。

1 多频带、小型化超材料微带天线设计

天线结构主要是由上层交指型辐射贴片、中间介质板以及下层带有缝隙的接地板组成，天线的具体结构图如图1所示。该天线介质板材料为Rogers RO4350，相对介电常数为3.48，损耗角正切tan D=0.004，金属部分均采用厚度为0.018mm铜箔。为了增强表面电流在辐射贴片上的集中度和耦合强度，使天线呈现宽带和降低工作频率的效果。天线上层辐射贴片主要是在传统的微带天线辐射贴片上加载上下对称的交指型超材料结构。微带线连接辐射贴片，采用高效且易于平面集成的微带线馈电方法对天线馈电。考虑工作频率和成本等因素，天线介质尺寸为40mm×40mm×1.524mm。其他具体尺寸如下：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。

图1 (a)天线结构的正视图；(b)交指单元超材料结构的局部放大图；(c)天线结构的背面图；(d)天线结构的侧视图。

2 多频带、小型化超材料微带天线的仿真分析

2.1 仿真结果与讨论

采用CST商业软件对上述多频带、小型化超材料微带天线进行仿真，采用微带线馈电结构，通过CST时域求解器进行全波仿真分析得出反射系数S11参数和辐射方向图结果如下图2所示：

图2 天线回波损耗(S11参数)以及不同频点下的E面方向图

通过图2(a)可以观察到，当S11<=-10dB时，天线工作频率在为3.15GHz～3.9GHz、4.45GHz～5.2GHz以及5.66GHz～10.14GHz，此超材料天线满足天线多频带工作的要求，且可以实现宽带工作的特性。覆盖了无线局域网(WLAN)频段，全球微波互联接入频段(WiMAX)，X波段卫星通信下行频率以及X波段卫星通讯的上行频率。

通过图2(b)-(c)可以观察到，当频率为3.548GHz的时候，此时天线的增益为2.93dBi，天线的3dB波束宽度为218°；当频率是5.051GHZ的时候，此时天线的增益为4.13dBi，天线的3dB波束宽度是154°；当远场监视器设置观察的频率点不同，天线的各项性能指标也不同。

2.2 工作机理

为了探讨微带天线的多频带和宽带机理，我们通过CST软件观察微带天线的表面电流分布，得出的结果如图3所示。

图3 天线表面电流分布图(@5.051GHz)

通过对天线的表面电流分析可以看出，天线的表面电流主要集中在交指型单元形状结构辐射贴片的周围，并且束缚在交指单元的附近。结合图2的S11参数图可以观察出，在3.9GHz～4.4GHz以及5.2GHz～5.6GHz之间形成了两个阻带，可以说明这种交指形状结构的辐射贴片具有阻带的性质。通过两个阻带，我们得到了所需要的多频宽带天线。此外，在地板结构中使用了开缝的超材料结构，目的是为了增加带宽，使天线更加满足实际需要。

3 天线的改进方向

从仿真实验的探索分析可以得知，交指形状的辐射贴片结构使天线的电流始终集中在交指形状的周围，从而在3.9GHz～4.4GHz以及5.2GHz～5.6GHz之间形成了两个高频的阻带，实现多频的性能。在背面的地板结构中央刻槽开缝并调整结构参数可以获得较好的宽频带特性和辐射性能。所以天线的改进可以通过调节优化交指单元和地板缝隙的超材料结构参数从而改进天线的性能。

本文设计的多频带、小型化超材料微带天线工作的频段是在3.15GHz～3.9GHz、4.45GHz～5.2GHz以及5.66GHz～10.14GHz，采用超材料交指形状结构和加载缝隙的地板结构来实现天线多频带、宽频带和小型化特性。并利用CST软件分析了交指形状超材料结构的表面电流对天线的整体性能的影响。通过全波仿真实验表明，该天线的带宽满足了超材料微带天线的工作指标要求，所设计的天线结构简单，易于工业生产，工作性能良好，覆盖无线局域网(WLAN)频段，全球微波互联接入(WiMAX)频段，X波段等多个频段，在天线工程中具有一定的使用价值。