加载零折射率电磁超材料的高增益透明玻璃天线

王蒙军 ,吴 迪 ,孔丹丹 ,马晓宇 ,李艳禄

(1.河北工业大学 电子信息工程学院,天津 300401;2.电工装备可靠性与智能化国家重点实验室,天津 300401;3.宏启胜精密电子(秦皇岛)有限公司,河北 秦皇岛 066300)

汽车在万物互联中发挥着越来越重要的作用,经过不断地发展,出现了车联网“新四化”——电动化、网联化、智能化和共享化。天线是“四化”进程中不可或缺的无线通信器件,目前的车载天线大多采取外置形式[1],但汽车的空间资源有限,为满足更多天线的放置需求,以车窗玻璃为基板,研究人员设计出经济美观的透明天线来解决当下问题。早期的透明车载天线主要通过挡风玻璃层压工艺,将金属导线嵌入聚酯胶层。或者和加热丝结合[2-3],通过丝网工艺将金属与粘合剂制成的特殊混合物印刷至汽车玻璃窗内。而运用了新型薄膜材料的玻璃天线[4-13]具备更高的透明度,能够通过磁控溅射技术牢固附着在玻璃表面,将天线安装空间扩展到车窗、天窗和镜子等物体上,并且削弱了对收发频段的限制,使天线形式更灵活多样。

透明导电薄膜的成熟发展为设计与制造高透明度天线铺平道路。按照导电薄膜的制造工艺可以分为AgHT-4/8 导电聚合物天线[4-5]、金属网格型天线[6-7]、透明金属氧化物天线[8-10]以及为了提升电导率衍生出的多层薄膜天线[11-12]。其中,金属网格薄膜是由传统金属(通常是铜或银)表面的孔隙组成,需要协调透光率与网格尺寸参数[11],设计流程复杂,天线的高效生产受到限制。而ITO 薄膜可以兼顾透明性、导电性和实用性,使天线具备高透明度、低阻值、低成本和良好稳定性。但是,透明导电薄膜天线的表面阻值对天线增益存在恶劣影响。近年来,专家学者纷纷提出有关透明天线增益缺陷的改进方法。从透明导电材料本身出发,2008-2016 年间研究人员通过分析天线表面电流分布,在电流聚集的贴片边缘处增加了纳米级金属层[4,8],以提升贴片边缘电导率,改善天线增益至5 dBi。然而,该方法使天线透明度降低至57%,视觉能观测到明显的黄色边沿。从天线本身形式出发,2021 年Eltresy 等提出了透明阵列天线[11],利用天线元叠加特性[9],使得透明天线的辐射增益从2.3 dBi 提升至5 dBi。但是,天线类型特殊时其应用场景同样会受到限制,无法作为改善透明天线增益缺陷的泛用方法。由此可见,上述方法难以兼顾透明度、辐射增益和实用性。

超材料是一种具备非自然特性的人工结构,能够实现天然材料无法达到的负介电常数和负磁导率。基于双负性质,研究人员利用超材料展开了许多有关天线小型化[14]、多频化[15]、增益提升[16-19]以及方向性调控[20-21]方面的研究工作。在透明天线领域,研究人员在2018 年使用谐振环结构[16]提升透明天线增益至1.67 dBi,Cong 等在2021 年提出人工磁导体结构[19]以改善透明天线的增益缺陷,可以将5.3～6 GHz 内的方向性增益从原本的1.1 dBi 提升至5.47 dBi。

超材料结构不仅可以大幅提升透明天线的方向性增益,还可以使天线保持良好的透明性。其中,零折射率超材料(Zero Index Metamaterial,ZIM)可以调控入射电磁波和出射电磁波之间的相位关系[20],实现透明天线辐射波方向性能上的改进[21]。

针对车联网环境下透明天线在辐射增益上的不足,基于零折射率超材料覆层的调控理论完成了一款多层透明天线的设计。天线采用相对介电常数为5.8 的钠钙玻璃为基板,的氧化铟锡为导电材料,结构简单,易于集成在汽车各种玻璃窗表面,具备大于75%的透明度。仿真结果表明,本文设计的天线可工作于ISM-2.4 GHz、5G-n77/n78 以及C-V2X 频段,-10 dB的相对带宽最高能达到47.9%。在3.4 GHz处,该天线的辐射增益能够提升3.23 dB。

1 基本天线结构设计与分析

车联网的工作环境如图1 所示,以汽车为中心,与四周各类终端进行信息交互。为了适应多方通信,便于车窗玻璃表面集成,以相对介电常数εr=5.8 的钠钙玻璃为基底,设计成如图2 所示的平面天线,整体尺寸为100 mm×100 mm,氧化铟锡导电材料的具体参数如表1 所示。

表1 导电层参数Tab.1 Parameters of conductive layer

图1 车联网环境示意图Fig.1 Intelligent connected vehicle environment diagram

图2 天线结构示意图Fig.2 Structure diagram of antenna

将矩形缝隙加载到1.1 mm 厚的ITO 导电玻璃上,并采用宽度为2.8 mm 的50 Ω 微带线进行馈电。为了使车辆能够收发各类无线信号,天线需要具备多频特性,因此在矩形空隙的基础上,左右两边增加两条对称的带状线来完善结构设计。使用电磁仿真软件CST完成上述天线结构的建模、优化和分析,根据图3(a)可知,该天线呈现出三频特性,分别在2.4,3.43 和5.7 GHz 处谐振,其-10 dB 的相对阻抗带宽为47.6%(1.89～3.07 GHz),18.7%(3.10～3.74 GHz)以及47.9% (4.07～6.63 GHz),能够覆盖5G 和C-V2X 等网联车常用频段。如图3(b)所示,观察该天线的E 面和H 面方向图,可知在三个谐振点上的主瓣方向性增益分别为5.27,6.05 和5.97 dBi,整体呈双向辐射状态。

图3 1 ITO 天线的仿真结果。(a)回波损耗;(b)2.4 GHz 方向图;(c)3.43 GHz 方向图;(d)5.7 GHz 方向图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 单元结构设计与分析

超材料的性质通过反演计算得出的等效电磁参数来确定。以周期形式展开的超材料单元能够从幅度、相位和极化等角度进行电磁波调控,通过单元结构设计与几何参数来调整等效磁导率和等效介电常数,从而影响到入射/出射超材料覆层的电磁波。

利用超材料设计透明天线能够规避ITO 材料本身的性能限制,从结构方面克服天线表面阻值对辐射增益的恶劣影响。零折射率超材料结构通过引导入射电磁波的出射相位达到辐射能量聚集的效果。具备近零或零折射率特性的超材料结构与本构参数(εr,μr)之间有着紧密关联,根据式(1)所示,等效电磁参数能够调整该结构的折射率n:

无论是等效介电常数或是等效磁导率趋近于0,都会导致折射率接近于0。由于电磁波经过介质层时内部会产生相移θ,并且相移θ与折射率n、波数k以及传播电长度d相关,如式(2)所示:

当折射率接近于0 时,相移角也会趋近于0,电磁波将会表现为近垂直出射的状态。因此,从理论角度出发,经过ZIM 层调控的辐射波束会在特定方向上聚集,相应的波束辐射增益也会增强。

基于上述理论进行ZIM 单元结构设计,经过优化分析,在CST 软件中得到单元大小为8 mm×8 mm 的交错L 型方环结构,其仿真时的边界设置如图4 所示。同样将的ITO 导体刻蚀在相对介电常数为5.8的玻璃基板上,分别对比ITO 导体和面阻值为0 的理想导体PEC 的散射参数仿真性能,如图5 所示。其中,S11谐振在3.51 GHz 左右,两导体的谐振深度相差22 dB。在S11和S21的相位表现上,PEC 在3.36～4 GHz 内的相位突变更为明显,如图5(a～b)所示。为了进一步确认在散射参数差异下ITO 仍具有近零折射率特性,将S11和S21通过NRW 反演法计算得到ZIM单元的等效介电常数和等效磁导率。

图4 ZIM 单元结构示意图Fig.4 Schematic diagram of ZIM unit cell

图5 不同导电材料下的ZIM 单元仿真结果。(a) S 参数;(b) S 参数相位值;(c) 等效介电常数;(d) 等效磁导率;(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

在众多超材料电磁参数算法当中,NRW 反演法是使用最广泛和稳定的算法之一。简单来说,一个总体厚度为d的超材料覆层,经过散射参数计算能够得到其等效阻抗Z和折射率n,再利用等效本构参数、波阻抗和折射率之间的关系换算,得到每个频率采样点下的等效介电常数和等效磁导率,具体如式(3)与式(4)所示[13]:

经过传输矩阵解析得到n和Z与εr和μr之间的关系,如式(5)所示:

读取散射参数的实部和虚部,按照公式提供的参数关系进行计算,得到更为直观和详细的等效电磁参数相关曲线图。如图5(c～e)所示,PEC 下的相对介电常数εr在3.84～4.20 GHz 存在负值,μr在3.51～3.90 GHz 内具有更明显的负磁导率特性。然而,ITO材料下ZIM 单元的等效磁导率在1～6 GHz 频段范围内只有2.98 GHz 处存在深度负向谐振。并且,εr在2.6～5.1 GHz 范围内趋近于,μr在4.1～6 GHz范围内趋近于0,最终在3.27～3.71 GHz 和4.02～6 GHz 的频带范围内折射率接近0。PEC 材料的ZIM 单元折射率在3.40 GHz 处能够完全等于0,而ITO 材料的表现不如理想导体,但是仍完全契合近零折射率特性。验证结果说明了ITO 设计ZIM 单元的可行性,理论上能够实现电磁波能量的聚合。最终,所设计的天线与ZIM 单元结构的尺寸参数如表2 所示。

表2 天线和ZIM 单元的结构参数Tab.2 Geometric parameters of antenna and ZIM unit cell

3 多层天线的仿真结果分析

3.1 多层结构设计

根据上述设计过程和ZIM 调控原理,使ZIM 单元以周期形式展开,和天线平行放置,将天线和超材料覆层相结合。仿真时天线与超材料覆层之间填充空气介质,在理想环境中两层之间的距离用HS表示。

CST 中模型层间无需任何支撑体就能获得空气填充下的仿真结果,但在实际生活中天线与覆层之间需要用实物支撑体进行实测。通常会使用与空气介电常数相近的泡沫材质板进行替换或是选择穿孔塑料钉进行固定。然而,这两种材料都会对透明度有较大影响,并且难以适配车窗集成,使天线失去透明易集成的优势。

为了使中间层既能支撑两层玻璃基板,又能凭借良好的透明性实现车辆集成,还可以发挥ZIM 覆层的最佳效能,提出了一种中心80 mm×80 mm 镂空结构的聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene Terephthalate,PET)层板,相对介电常数为3.4,加载到两层之间,形成PET-ZIM 天线。如图6 所示,将所提出的模型放置到CST 仿真环境中,进行优化和分析。

图6 PET-ZIM 天线结构示意图Fig.6 Schematic diagram of PET-ZIM antenna

3.2 空心PET 下的ZIM 覆层天线

为了验证该多层天线能够兼顾实用性和透明性,需要进一步根据不同厚度(即不同层间距)HS下天线的参数性能变化规律进行分析。

根据图7(a)可知,当HS在2～8 mm 之间变化时,S11参数相较于无覆层天线存在30～293 MHz 的偏移。当HS=2 mm 时,谐振频率向低频偏移近300 MHz,反之,HS位于8 mm 时回波损耗的偏移量减小了121 MHz。这是因为当相距越远,天线与超材料的层间耦合越小,对无覆层天线的散射参数影响也就越轻微。所以,当空心层板从2 mm 增加到8 mm 时多层天线越趋近无覆层天线的工作频点。当HS=5 mm 时,谐振点分别位于2.73,3.4 和5.9 GHz,能够覆盖5G、ISM-2.4 GHz 以及车联网环境下的C-V2X 频段。

图7 不同厚度Hs 下PET-ZIM 仿真结果。(a)回波损耗;(b)辐射增益Fig.7 Simulated results of PET-ZIM antenna at different Hs.(a) Return loss;(b) Gain

在层间耦合的影响下,观察增益随频率变化的仿真性能曲线。图7(b)表示了当HS=5 mm 时,在三个谐振点下增益分别提升了1.26,3.23 以及0.98 dB。整体表现出当HS越大,辐射增益提升效果越强的趋势。并且,3.4 GHz 工作频点附近的增益提升效果最明显,原因在于ZIM 单元在3.4 GHz 处展现出了更优越的近零特性,有利于电磁波辐射聚束。

不仅需要进一步验证增益改进的效果,还要能够指向ZIM 覆层在天线辐射波调控方面发挥的作用。如图8所示,由PET-ZIM 天线的3D 辐射方向图可知,ZIM覆层的加入增强了原天线双向辐射中覆层所在位置的方向性。当远场监视器频点设置在3.4 GHz 时,与无覆层天线相比,主瓣上的方向性系数增加了2.2 dBi,半功率波束角HPBW 在E 面和H 面上分别减少了17.2°和27.4°。天线的辐射波束向零折射率覆层的方向呈现出集中趋势,证明在空心PET 填充层支撑下的多层透明天线符合预期增益改善目标,保证了较高的透明度。

图8 无覆层天线与PET-ZIM 天线的3D 辐射方向图Fig.8 3D radiation patterns of single-layer antenna and PET-ZIM antenna at 3.4 GHz

图9 天线实物测试图Fig.9 Photograph of the fabricated antenna measurement

4 测量结果与分析

与传统天线相比,透明天线选取的导电材料较为特殊,需要兼顾透明薄膜在光学和电学两方面的性质。首先在玻璃基板上沉积一层纳米级ITO,根据表面阻值来确定膜厚,再通过激光刻蚀规划出天线图案,天线实物与其测试系统如9 图所示。通过SMA 头连接天线和同轴线,并使用电校准后的矢量网络分析仪(Agilent N5244A)测量其阻抗匹配性能。如图10 所示,与仿真结果相比,无覆层天线实测数据的工作频点存在向低频偏移24～41 MHz 的现象,加载5 mm 厚度的空心PET 填充层后,对比仿真结果同样产生13～176 MHz 的频偏,其谐振频率分别工作在2.66,3.31以及5.89 GHz,能够覆盖车联网环境部分应用频段,仿真与实测结果基本一致。通过使用微波暗室配合宽带喇叭天线来测试透明天线的辐射方向图,如图11所示。

图10 回波损耗实测结果。(a)无覆层天线;(b)PET-ZIM 天线Fig.10 Measured results of return loss.(a) Single-layer antenna;(b) PET-ZIM antenna

图11 无覆层天线与PET-ZIM 天线的方向图实测结果。(a) 2.4 GHz;(b) 3.4 GHz;(c) 5.7 GHz;(d)不同天线在3.4 GHz 处yoz 面的对比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

由于理想环境与实际环境间的差异,在主瓣方向上辐射增益的实测结果降低了0.16～3.42 dB,总体呈现出与仿真一致的双向辐射趋势,如图11(a～c)。根据图11(d)可知,在3.40 GHz 处,加载了ZIM 覆层的天线辐射增益对比无覆层天线提升了大约2.14 dB,且主瓣方向性增强,辐射波束向ZIM 覆层方向集中。

回波损耗和方向图产生误差的原因有三点: 一是因为基板介电常数在仿真与实物上的差异;二是ITO导电薄膜面阻值的差异,实物的面阻值往往会高于仿真阻值;三是由于SMA 接头与馈线连接问题,在玻璃和ITO 材料上不适用热焊接,只能采用导电夹针法进行连接,从而造成一定的阻抗失配。

目前出现了部分声称可替代ITO 的透明材料,如纳米级银膜混合CNT 油墨、金属纳米结构(AgNWs)和聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT∶PSS)。从性能角度分析,该材料的电学性质表现为面阻值,同时,光学性能可以保持在80%～90%良好状态[23]。但是,ITO的替代品材料造价浮动大,工艺不成熟,未进行普及的同时缺乏广泛应用的潜质,在天线的设计和制造上的实用性不如金属氧化物薄膜。

最后,与不同导电材料下谐振环[16,22]、人工磁导体结构AMC[17,19]以及零折射率[20-21]超材料天线进行对比,如表3 所示,表中NT 表示该天线不具备光透明性。针对透明天线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 多层透明天线采用了零折射率透射覆层,不仅能够保持优良的透明性,还能够大幅提升增益至8.25 dBi,改善了透明导电薄膜因电导率低而产生的损耗问题,甚至能够媲美传统金属材料的天线增益性能。

表3 本文天线与现有超材料天线的对比Tab.3 Comparison of metamaterial antenna in existing research

5 结论

本文提出了一种多频、易集成且增益提升的多层透明天线,通过平行加载ZIM 覆层调控天线的辐射波束,从而聚拢主方向上的辐射能量。仿真与实测结果表明,该天线可以工作在2.73,3.4 和5.9 GHz 频率,峰值方向性系数能够达到8.25 dBi,增益最高能够提升3.23 dB,具备良好的透明度与实用性,克服了ITO因欧姆损耗影响到天线辐射性能的问题。PET-ZIM 天线适用于车联网环境下的车窗集成,同时,天线所具备的多频性满足了智能汽车与其他交通工具、移动设备和基础设施间的无线通信交互功能。