基于超材料的低剖面高水平增益全向天线

陈新伟, 樊思梦

(山西大学 物理电子工程学院, 山西 太原 030006)

0 引 言

近年来, 许多无线通信领域越来越需要具有全向辐射的天线, 如无线广播、 蜂窝网络、 人体表面波通信、 V2X通信等领域。 目前, 许多研究人员已经设计出一些垂直极化的具有宽阻抗带宽的圆形微带贴片天线。 文献[1]中低剖面圆形贴片天线的相对阻抗带宽为27.4%, 天线的最大辐射角与水平面呈45°。 为了使天线的覆盖范围更广, 可以将最大辐射方向调整到接近水平面方向。 目前, 已经有很多研究人员提出了一些方法来提高全向天线的水平面增益。

Jaehoon Choi[2]提出在圆形贴片天线周围加载8个褶皱导体接地壁, 用来引导电磁波沿着水平面传播, 使天线实现了0.75 dBi的水平面增益; Liu A等[3]在圆形贴片天线周围加载了6组3面短路、 一面开路的扇形条带, 应用磁偶极子来引导电磁波靠近水平面, 使天线的水平面增益提高到1.06 dBi。 之后, 他们又在圆形贴片天线外围垂直加载了8对I字形条带, 使天线达到1.80 dBi的水平面增益, 但是同时也增加了天线的加工难度[4]; Lin S等[5]通过在天线周围加载3圈带有短路通孔的环形金属导向器, 使天线的水平面增益提高到了3.72 dBi, 增大增益的同时也增大了天线的尺寸。

超材料作为一种具有特殊性质的人造材料, 也可以有效提高天线的增益。 它通过改变折射率和介电常数等有效参数来控制电磁波在材料中的传播, 进而改变天线的辐射特性, 提高期望方向上的增益; Guo Y.等[6]通过在天线正上方放置一个由近零折射率超材料晶胞组成的超材料基板, 使得天线在一定频率范围内的水平增益提高了1 dB以上; Tang H.等[7]将中心馈电的圆形贴片和树枝状超材料晶胞共面放置, 提高了全向天线的峰值增益; Zhang T.等[8]将双箭头状超材料组成方形环放置在天线周围, 使天线在一定频率范围内的水平增益提高了0.6 dB; Feng G.等[9]同时加载由方形贴片组成的超材料基板和截断超材料方环, 使表面波沿超表面传播, 天线的峰值增益提高了0.5 dB～1 dB。

本文提出了一种新型超材料结构, 该超材料具有近零折射率的特性。 将超材料晶胞轴对称地分布在全向天线四周, 引导电磁波的传播方向靠近水平方向, 提高了水平面增益。 天线工作在5.78 GHz～6.12 GHz, 加载超材料后, 天线在通带内的水平增益能提高至少0.5 dB, 最大水平增益可以达到2.68 dBi。

1 NZRIM的设计

设计的超材料晶胞结构如图1 所示, 由两个上下对称的“C”字形条带和一个弯折条带组成, 被印刷在F4b(εr=2.2, tanδ=0.002)介质基板的上层和下层。 通过Ansoft HFSS仿真软件进行建模。 如图2 所示, 在近零折射率晶胞的左右两边通过波端口激励, 上下设置成理想电壁(PEC), 前后两面设置成理想磁壁(PMC), 电磁波沿x轴方向传播。 经过优化后, 超材料晶胞的各项参数为:a1=b1=11 mm,s=5 mm,c1=c2=2mm,c3=2.5 mm,d=3.8 mm,w=0.5 mm。

图1 超材料晶胞的结构Fig.1 Structure of metamaterial cell

图2 NZRIM晶胞的建模设置Fig.2 Modeling setup of NZRIM unit cell

根据史密斯等人提出的方法, 可以计算出超材料晶胞的各项电磁参数, 计算方法为

(1)

μ=nz,

(2)

(3)

(4)

式中:ε,μ,n分别为有效介电常数、 有效磁导率和有效折射率;z为波阻抗;d是超材料的厚度;k0是真空中的波数;S11和S21是散射参数;m是用于标识反余弦函数的分支的整数[10]。 晶胞仿真得到的S参数如图3 所示。

(a) S参数幅值

由图3 可知, 晶胞的S21值在5.8 GHz时有一个突变, 这意味着这个点附近的电磁特性将要发生改变[11]。 图4 分别给出了计算出的折射率、 有效介电常数和有效磁导率。 从图4 中可以看出, 在5.78 GHz～6.00 GHz有正的介电常数和负的磁导率, 而折射率的实部接近零, 所以, 可以利用超材料单元的近零折射率特性。

图4 NZRIM晶胞的超材料特性Fig.4 Metamaterial properties of NZRIM cell

2 天线的设计与性能分析

2.1 加载NZRIM的天线

为了改善天线的辐射方向图, 提高天线的水平面增益, 将NZRIM晶胞周期排布, 轴对称地分布在全向贴片天线的四周。 天线的介质基板尺寸为110 mm×110 mm×2 mm。 超材料晶胞中心距离圆形贴片中心v=48 mm, 相邻晶胞之间的距离q=9.6 mm, 加载NZRIM晶胞的天线结构示意图如图5 所示。 对设计的全向天线进行参数优化, 天线的各部分参数如表1 所示。

表1 天线各部分的尺寸Tab.1 The values of the antenna

(a) 俯视图

图6 和图7 给出了加载超材料前后天线S参数和5.8 GHz处的辐射方向图。 从图中可以看出, 加载超材料后天线的阻抗带宽向由5.69 GHz～6.00 GHz变化为5.74 GHz～6.05 GHz; 天线最大辐射方向和水平面处的增益都有所增加, 而天线的水平面增益不圆度有所增大, 旁瓣增益有所降低, 水平面的增益从1.97 dBi提高到2.66 dBi, 与原始天线相比, 提高了0.69 dB。

图6 加载NZRIM前后天线的S参数Fig.6 S parameter of antenna with/without NZRIM

(a) E面辐射方向图

图8 给出了电磁波穿过NZRIM后的传播特性。 由相速度公式vp=ω/k=1/(εμ)1/2可以看出(ω为角频率,k为波数,ε和μ分别为有效介电常数和有效磁导率,vp为相速度): 只要ε或μ其中一个值接近零, 波数k就会无限接近零, 而波长会因此接近无限长, 这就意味着, 近零折射率超材料中电磁波的相位在相当大的一个范围内变化非常小[12-13]。 所以, 电磁波在经过近零折射率超材料后, 出射电磁波各点的坡印廷矢量将会垂直于材料的出射面。 将部分电磁波集中在垂直于出射面的方向, 从而减小天线的半功率波束宽度, 提高最大辐射方向上的增益和水平面附近的增益。

图8 电磁波穿过NZRIM的传播特性Fig.8 Propagation of electromagnetic wave passing through NZRIM

2.2 超材料个数对天线性能的影响

为了研究加载超材料晶胞的个数对天线性能的影响, 图9 给出了天线在5.8 GHz处加载不同超材料晶胞时的电场辐射方向图。 从图中可以看出, 随着加载超材料单元的增加, 天线的水平面增益逐渐提高, 不圆度逐渐减小, 当N=11时, 水平面最大增益提高了0.69 dB, 不圆度小于1.1 dBi。

(a) E面辐射方向图

3 测试结果

本文所设计的高水平面增益全向天线的实物如图10 所示, 天线的尺寸为2.13λ0×2.13λ0×0.03λ0(λ0为空气中的波长), 与文献[5-6,9]中的天线相比, 天线具有更低的剖面。 使用Agilent N5230A矢量网络分析仪和SZ-VL天线自动测试系统分别测试天线的反射系数和辐射方向图。

图10 天线的实物制作图Fig.10 Fabrication drawing of antenna

测试结果如图11 和图12 所示, 由图可知, 天线仿真和测试的-10 dB阻抗带宽分别为5.74 GHz～6.05 GHz和5.78 GHz～6.12 GHz。 实际测试与仿真结果基本吻合。 图12 分别给出了天线在5.8 GHz的E面及水平面(θ=90°)的仿真和测试的辐射方向图, 测试和仿真结果基本一致, 测试的增益略小于仿真的增益。

图11 天线仿真和测量的反射系数Fig.11 The simulated and measured reflection parameters of antenna

(a) E面辐射方向图

图13 为天线在不同频点处仿真和测试的水平面增益曲线, 可以看到, 天线在5.80 GHz处测试的最大水平面增益达到了2.55 dBi。 此外, 天线在5.80 GHz～5.95 GHz范围内的水平面增益均在2.5 dBi左右, 在5.85 GHz达到了峰值增益2.68 dBi。 但是, 由于天线加工和测量过程中存在误差, 使得天线在工作频段内的实测增益略低于仿真结果。

图13 仿真和测试的水平面增益Fig.13 The simulated and measured horizontal gain

4 结 论

本文设计了一款低剖面高水平增益的全向型天线, 将近零折射率超材料晶胞轴对称地分布在全向天线四周, 形成一个方形环, 有效改善了全向天线的辐射方向图, 提高了天线的水平面增益。 测试结果表明, 在加载NZRIM后, 天线的阻抗带宽为5.78 GHz～6.12 GHz, 天线在整个通带内的水平增益提高了0.5 dB～1 dB左右, 最大的水平面增益达到了2.68 dBi。 这款天线在移动通信中有很好的应用潜力。