安永麗,白軍影

(華北理工大學(xué) 人工智能學(xué)院，河北 唐山 063210)

0引言

隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，通信技術(shù)發(fā)展迅速。5G通信技術(shù)使得信息傳輸速度得到了有效提升。移動通信的需求越來越趨向于更大容量，更高傳輸速率和更好的服務(wù)質(zhì)量。隨著5G通信技術(shù)進一步的擴展，無線終端天線的發(fā)展越來越趨向于寬頻帶，多頻帶和更高的性能。采用多輸入多輸出(MIMO)的技術(shù)能夠提高信道容量和信道傳輸?shù)目煽俊?/p>

為了提高天線單元之間的隔離度，研究人員采用了大量的相關(guān)技術(shù)，如采用超材料結(jié)構(gòu)來提高其天線單元之間的隔離度。采用陣列形式的MIMO天線，由于其天線單元相距很近，所以會產(chǎn)生較強的耦合，耦合電流會直接影響天線的輻射特性[1]。在小尺寸移動通訊設(shè)備中，由于受限于整機的尺寸，往往無法提供足夠大的間距來減弱天線之間的耦合。因此，如何盡可能多地在有限的空間內(nèi)放置具有較高隔離度的MIMO陣列天線成為迫切需要解決的問題。而對超材料MIMO天線進行耦合縮減可以有效地提高天線單元的隔離度。

增益表示在相同的輸入功率下，實際天線和理想的輻射單元在同一點處產(chǎn)生的信號密度之比。增益可以表示輸入功率集中輻射程度。增益和天線的方向圖之間有很大的聯(lián)系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，則增益越高[2]。天線增益是衡量天線最重要的參數(shù)之一，它對通信系統(tǒng)的運行質(zhì)量非常重要，提高天線增益，可以增大某個方向上的信號輻射范圍，或者在范圍不變的情況下，在該范圍內(nèi)大大提高信號強度。增加天線增益可以減少雙向系統(tǒng)增益預(yù)算余量。當某種輻射源向空間發(fā)射能量的時候，在理想情況下，能量會按照球狀體散射開來，通過實踐和研究我們發(fā)現(xiàn)，如果這種能量朝著一個方向集中發(fā)射，則能量所到達的距離及該方向輻射的范圍都會大大提高。把這種研究和發(fā)現(xiàn)應(yīng)用到無線通信系統(tǒng)中，天線增益可以定量的描述天線把輸入功率(能量)集中輻射的程度，從通信的角度我們可以這樣理解為在某個方向和范圍內(nèi)產(chǎn)生信號的能力大小[3-6]。

1超材料

超材料是一種人工復(fù)合材料，可以通過周期型的金屬及介質(zhì)排布實現(xiàn)。超材料異于傳統(tǒng)材料的新穎特性，使其備受關(guān)注。在天線、微波電路、雷達、吸波材料和隱身斗篷等領(lǐng)域有很大的應(yīng)用[7]。

超材料是一種具有負的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的人工材料。相比于傳統(tǒng)的右手材料，左手材料能提供一些比較奇特的電磁特性。在進行天線的設(shè)計過程中，通過加載超材料結(jié)構(gòu)可以大大提高天線的性能指標。會對天線增益、工作帶寬、提高輻射效率、降低諧振頻率、減少天線尺寸等方面都有很大的改善作用。因此將超材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用在天線設(shè)計中成為當前的研究熱點。在有限的空間內(nèi)加載超材料可以大大提高天線的隔離度。

2圓孔超表面結(jié)構(gòu)單元設(shè)計

圓孔超表面結(jié)構(gòu)單元平面圖如圖1所示，調(diào)整其結(jié)構(gòu)尺寸，使其工作在2.45 GHz的頻率下，在20 mm×20 mm×1 mm的聚四氟乙烯介質(zhì)基板上介電常數(shù)(r=4.6)損耗正切值( tanδ=0.019)上蝕刻超材料單元，其具體仿真模型圖如圖2所示。

圖1 圓孔超表面結(jié)構(gòu)的平面圖 圖2 圓孔超表面結(jié)構(gòu)的仿真模型圖

天線之間的耦合情況和仿真的S參數(shù)有關(guān)。假設(shè)電磁波沿x軸方向入射，磁場沿y軸方向，電場沿z軸方向。該模型能夠沿x方向?qū)鶆蚱矫娌ㄕ丈渲械某牧系腟參數(shù)進行有效仿真，再利用參數(shù)反演技術(shù)，可以得到傳輸特性與S參數(shù)有關(guān)。s11表示反射系數(shù)，s21表示傳輸系數(shù)，s21與系數(shù)T之間的關(guān)系如下式(1)所示。

s21=Teik0d

(1)

其中：k0表示自由空間的入射波波束，d表示介質(zhì)板的厚度(mm),R01表示與阻抗相關(guān)的式子。反射系數(shù)s11與折射率n和阻抗z之間的關(guān)系如下式(2)所示。

(2)

s21與折射率n和阻抗z之間的關(guān)系可以用式(3)、式(4)表示。

(3)

(4)

聯(lián)立公式(1)～(4)可以推導(dǎo)得出式(5)、式(6)。

(5)

(6)

該項目研究的超材料是一種被動介質(zhì)，需要滿足以下條件：

Re(z)≥0

(7)

Im(n)≥0

(8)

其中：Re(z)表示阻抗的實部；Im(n)表示磁導(dǎo)率的虛部。

結(jié)合以上關(guān)系式，推導(dǎo)得出折射率n的關(guān)系式如式(9)所示。

(9)

通過式(1)～式(9)得到影響超材料性能的2個重要因素s11和s21。圖3所示為圓孔超表面材料單元仿真的s21圖形?？梢缘贸?，頻率在2.45 GHz的情況下，超材料的磁導(dǎo)率為負值，說明圓孔超表面結(jié)構(gòu)具有超材料特性。

圖3 圓孔超表面仿真s21參數(shù)圖形

3加載圓孔超表面結(jié)構(gòu)單元

將圓孔超表面結(jié)構(gòu)單元加載在2個偶極子天線之間，工作頻率為2.45 GHz，采用尺寸為80 mm×160 mm×1mm的聚四氟乙烯介質(zhì)基板(r=4.6)，在介質(zhì)基板上蝕刻圓孔超表面結(jié)構(gòu)單元。通過調(diào)整其結(jié)構(gòu)尺寸，使其工作2.45 GHz的頻率下。整體的平面圖和模型仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 圓孔超表面結(jié)構(gòu)單元圖

通過仿真可以得到圓孔超表面加載在2個偶極子天線之間的 參數(shù)圖形，s11和s22表示波不通過傳輸線，直接在天線饋電處對天線進行激勵，在仿真軟件中，一般天線饋電處采用端口激勵，此處認為端口已匹配好；若在該端口監(jiān)測到反射波，那么這個反射波也不是由于該端口處沒有匹配好造成的，而是由于在波傳播方向上天線阻抗不匹配以及環(huán)境的反射所致。

s11或s22屬于 參數(shù)指標，表示回波損耗特性，一般通過網(wǎng)絡(luò)分析儀來看其損耗的dB值和阻抗特性。此參數(shù)表示天線的發(fā)射效率，參數(shù)值越大，表示天線本身反射回來的能量越大，這樣天線的效率就越差。圖5所示為加載圓孔超表面結(jié)構(gòu)單元的s11和s22參數(shù)圖形，圖6所示為加載圓孔超表面結(jié)構(gòu)單元的s21參數(shù)圖形。

圖5 加載圓孔超表面結(jié)構(gòu)單元的s11和s22參數(shù)圖形

圖6 加載圓孔超表面結(jié)構(gòu)單元的s21參數(shù)圖形

通過圖5、圖6仿真操作可以看出，工作頻率在2.45 GHz上，s11和s22損耗分別為22.48 dB和22.45 dB。此時圓孔超表面結(jié)構(gòu)加載在偶極子天線上隔離度為24.72 dB。

4未加載圓孔超表面結(jié)構(gòu)單元

工作頻率保持2.45 GHz不變，在尺寸為20 mm×20 mm×1 mm的聚四氟乙烯介質(zhì)基板(r=4.6)上放置偶極子天線，平面圖和仿真模型圖如圖7、圖8所示。

圖7 偶極子天線平面圖 圖8 偶極子天線模型仿真圖

通過仿真可以得到偶極子天線的 參數(shù)，如圖9、圖10所示。在頻率為2.45 GHz的情況下，s11和s22損耗分別為36 dB和36.05 dB。此時偶極子天線上隔離度為16.17 dB。

圖9 偶極子天線仿真s11和s22參數(shù)圖形 圖10 偶極子天線仿真s21參數(shù)圖形

5 天線增益

將加載圓孔超表面的偶極子天線與未加載超材料的偶極子天線的三維增益方向圖進行對比，如圖11和圖12所示。

圖11 加載圓孔超表面的偶極子天線三維增益圖 圖12 未加載超材料的偶極子天線三維增益圖

通過加載超材料和不加載超材料的偶極子天線之間的三維增益方向圖做對比可以看出，加載超材料的偶極子天線能量輻射比較集中，起到了很好的天線隔離的效果，在某個特定方向上和范圍內(nèi)產(chǎn)生信號的能力比較強；而未加載超材料的偶極子天線的三維增益方向圖的能量分布比較分散，傳輸和產(chǎn)生信號的能力相對比較弱。

6 結(jié)論

(1)加載超材料天線的隔離度與未加載超材料結(jié)構(gòu)的MIMO天線隔離度相比提高了8.55 dB。

(2)加載圓孔超表面結(jié)構(gòu)的偶極子天線能量輻射比較集中，在某個特定方向上和范圍內(nèi)產(chǎn)生信號的能力比較強，實現(xiàn)了更好地提高天線隔離度的目的。