朱曉明,萬沁雨,鐘偉楠

(黑龍江工程學院 電氣與信息工程學院,哈爾濱 150050)

超寬帶(Ultra-wide Band,UWB)技術(shù)是一種具有超寬工作頻段范圍的通信方式,美國FCC規(guī)定此項技術(shù)的商用工作帶寬范圍為3.1～10.6 GHz,數(shù)十億赫茲的工作頻段使其具有高速的信息傳輸速率,同時還具有功率損耗低、分辨率高、與其他通信技術(shù)互不干擾等優(yōu)點,在短距離的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛使用[1]?？蓱?yīng)用于UWB系統(tǒng)的天線稱為超寬帶天線,首先它必須具有超寬的工作頻段,為了使天線具有超寬帶工作頻段,設(shè)計時需要利用其自身結(jié)構(gòu)特點來獲得低頻段和高頻段的同時阻抗匹配特性。通過天線輻射單元的幾何尺寸能夠估算出天線的最低頻率,輻射貼片的規(guī)則形狀可以確定天線工作的一個諧振頻率點,得到相對窄帶的工作帶寬,若改變貼片形狀為漸進結(jié)構(gòu),例如圓形或不規(guī)則形狀,那么多個幾何尺寸則可以使天線產(chǎn)生多個諧振頻率點,多個諧振頻率點的相互疊加又提高了天線工作的最高頻率值,從而擴展了天線的工作帶寬[2-6]。同時,天線還要具有較高的增益來保證系統(tǒng)的傳輸效率,當超寬帶系統(tǒng)應(yīng)用在便攜裝置時,還要求超寬帶天線具有小型化和低剖面等特點。

頻率選擇表面(Frequency Selective Surface,FSS)是具有一定特殊性質(zhì)的單元,是以特定周期方式排列而形成的平面結(jié)構(gòu),FSS結(jié)構(gòu)在其工作頻帶內(nèi)呈現(xiàn)出對電磁波的選擇性,等效為帶通濾波器的作用,可以抑制某一頻段范圍的電磁波傳輸,因此,可以作為電磁吸收體、天線反射面或雷達反射罩等器件使用[7-9]。在自然界中,材料的電磁屬性通常為正,其介電常數(shù)和磁導率為正數(shù),這種材料稱為右手材料,因其電場方向、磁場方向和電磁波傳輸方向三者之間滿足右手定則。然而一些人工復合的材料具有負的介電常數(shù)或負的磁導率,或二者同時為負數(shù),這種具有特殊電磁屬性的人工復合材料即為超材料,其中,介電常數(shù)和磁導率同時為負數(shù)的材料稱為左手材料,因其電磁波的傳輸方向與電場和磁場方向滿足左手關(guān)系。超材料正因為這種不尋常的電磁屬性,使其改變了電磁波的傳輸形式,表現(xiàn)出禁帶的作用,阻止電磁能量的傳輸,因此,可以在天線設(shè)計中廣泛使用[10-12]。

為了確保超寬帶通信的高效性,降低對發(fā)射系統(tǒng)的要求,研究具有高增益特性的超寬帶天線成為關(guān)鍵。將具有頻率選擇表面結(jié)構(gòu)的平面作為天線的副反射面,對輻射電磁波進行濾波處理,即可降低天線的后向輻射,從而提高天線增益。然而,通常頻率選擇表面的選擇性屬于窄帶工作范疇,所以為超寬帶天線設(shè)計具有超寬工作頻帶的頻率選擇表面結(jié)構(gòu)十分必要。Yogesh等[13]提出了一個具有相對穩(wěn)定高增益的超寬帶天線,利用頻率選擇表面作為反射面,將天線的峰值增益從4.3 dBi提高到9.3 dBi,但是所設(shè)計的頻率選擇表面具有4層不同的結(jié)構(gòu),在加工制作方面存在一定的復雜度。Smith等[14]利用頻率選擇表面提高了一種平面超寬帶天線的增益,在大部分工作頻段內(nèi)將天線的增益提高了2～4 dBi,但是該頻率選擇表面的平面尺寸過大,且為雙層結(jié)構(gòu)。文中提出了一種用于提高超寬帶天線增益的超材料頻率選擇表面結(jié)構(gòu),利用超材料電磁特性設(shè)計了具有超寬帶特性的超材料單元結(jié)構(gòu),通過特殊的排列形成了頻率選擇表面,并作為天線的反射面,以此達到提高超寬帶天線增益的目的。

1 超材料單元的設(shè)計

在時變電磁場中,電場和磁場相互激勵形成可以傳輸?shù)碾姶挪?介電常數(shù)ε(ω)和磁導率μ(ω)是描述電場和磁場的特性參數(shù),其中,ω表示電磁波的傳輸頻率,則平面電磁波的傳播常數(shù)可以表示為

(1)

當傳播常數(shù)k為實數(shù)時,電磁波可以在介質(zhì)中傳輸,但當k為虛數(shù)時,波的幅值會隨著距離的增加呈現(xiàn)指數(shù)衰減的趨勢,不滿足電磁波的波動性,無法在材料中傳輸。若材料的電磁參數(shù)一個為正一個為負,對應(yīng)的幅度值k為虛數(shù),說明電磁波不能在單負材料中傳輸,當波入射到材料表面時,會出現(xiàn)全部反射的狀態(tài),即產(chǎn)生了頻率帶隙特性,這就屬于超材料的研究范疇。

由于超材料的幾何尺寸遠小于其結(jié)構(gòu)所能傳輸?shù)碾姶挪ǖ牟ㄩL,因此,在分析超材料的電磁屬性和傳輸特性時,需要利用等效介電常數(shù)和等效磁導率分析其特殊的電磁性。等效參數(shù)提取方法[15]是分析超材料的重要方法,它將基本結(jié)構(gòu)單元組成的超材料看作均勻介質(zhì),利用散射矩陣S參數(shù)來提取超材料的等效介電常數(shù)ε和等效磁導率μ,由此分析超材料的物理性質(zhì)。如果平面電磁波入射到厚度為d的超材料結(jié)構(gòu)上,S矩陣中的4個參數(shù)可以表示為

(2)

(3)

可得到超材料的等效折射率n和等效阻抗Z的表達式為

(4)

(5)

式中:k0為真空中的電磁波波數(shù);i和m為整數(shù)。根據(jù)式(4)和式(5)可計算出超材料的等效介電常數(shù)ε和等效磁導率μ為

μ=nZ.

利用上述提取法得到的等效電參數(shù)能直觀地表示出超材料的負諧振區(qū)域,是用于設(shè)計和驗證超材料結(jié)構(gòu)的有效方法。

1.1 超材料單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計

所設(shè)計的超材料單元具有單負的材料屬性,由于電磁波無法在其結(jié)構(gòu)中傳輸,從而實現(xiàn)了超寬頻帶的帶阻濾波器功能。超材料單元由開口矩形諧振環(huán)和字母“I”結(jié)構(gòu)組成,幾何尺寸為2 mm×4 mm,其介質(zhì)基片為厚度400 μm的硅片,此單元結(jié)構(gòu)的模型如圖1(a)所示,其中,f1表示字母“I”結(jié)構(gòu)與開口諧振環(huán)間的垂直距離;f2表示“I”結(jié)構(gòu)的寬度;f3表示開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的寬度;f4表示字母“I”結(jié)構(gòu)與開口諧振環(huán)間的水平距離;f5表示兩個開口諧振環(huán)之間的距離;f6和f7分別表示開口諧振環(huán)的缺口在x和y方向上的長度。利用三維電磁仿真軟件HFSS建模此單元的幾何結(jié)構(gòu),在仿真模型中設(shè)電場方向沿著y軸,磁場方向沿著z軸,模型采用主從邊界條件,入射電磁波平行于超材料單元表面入射,即垂直于x軸的兩個側(cè)面作為端口面,基于周期的邊界條件可以得到MEFSS結(jié)構(gòu)的S參數(shù)特性。

圖1 超材料單元結(jié)構(gòu)及其等效電路

開口矩形等效為LC磁特性的諧振器,幾何長度與諧振頻率成反比,在高頻段內(nèi)需要長度較短的開口諧振環(huán)路,其等效磁導率為負;字母“I”結(jié)構(gòu)等效為LC電特性的諧振器,其幾何長度較長,故在低頻段呈現(xiàn)諧振特性,其等效介電常數(shù)為負。由于超寬帶系統(tǒng)所占頻帶范圍較寬,所以提出開口矩形諧振環(huán)和字母“I”的組合結(jié)構(gòu),其將電諧振與磁諧振相結(jié)合,共同作用來抑制低頻和高頻段內(nèi)電磁波的傳輸。所設(shè)計單元的等效電路如圖1(b)所示,其中,字母“I”結(jié)構(gòu)諧振的等效電感為L、等效電阻為R,開口矩形諧振環(huán)的等效電感和等效電容分別是L1和C1,磁諧振與電諧振之間的等效電容為C2,4個開口矩形諧振單元之間的等效電容為C3。

1.2 超材料單元的特性分析

為了獲得超寬的頻率帶隙特性,對所設(shè)計的超材料單元進行參數(shù)優(yōu)化,調(diào)整構(gòu)成超材料單元的兩個單元之間的幾何尺寸,以此激勵兩部分共同產(chǎn)生作用。首先,優(yōu)化主要參數(shù)f1,其表示電諧振部分與磁諧振部分之間的垂直距離,超材料單元的傳輸系數(shù)S12變化情況如圖2所示,可以看出當垂直距離增加時,字母“I”結(jié)構(gòu)所等效的電感數(shù)值增加,因此,超材料單元的阻帶中心工作頻率向低頻移動,可見垂直距離與工作頻率成反比關(guān)系。其次,優(yōu)化主要參數(shù)f4,其表示電諧振部分與磁諧振部分之間的水平距離,超材料單元的傳輸系數(shù)S12變化情況如圖3所示。當兩個結(jié)構(gòu)之間的水平距離增加時,互有電容數(shù)值減小,中心頻率向高頻移動,水平距離與工作頻率成正比關(guān)系。文中所設(shè)計的超材料單元是為了提高硅基底超寬帶天線的輻射能力,作為反射面使用,因此,其所需要具有的帶阻性能也要超寬帶,由此選取中心頻率在5 GHz左右,S12數(shù)值較小的f1和f4參數(shù)。本設(shè)計的超材料單元選擇介電常數(shù)為11.9的硅基底,通過參數(shù)優(yōu)化后,最終確定的超材料單元具體幾何尺寸:FW=2 mm,FL=2 mm,f1=0.10 mm,f2=0.04 mm,f3=0.03 mm,f4=0.04 mm,f5=0.06 mm,f6=0.10 mm,f7=0.05 mm。在超寬帶系統(tǒng)所定義的頻段內(nèi),由一個“I”形金屬環(huán)線和4個開口金屬矩形環(huán)共同作用所構(gòu)成的單元,在整個天線工作頻段范圍內(nèi)等效電磁參數(shù)為負,具有超材料的特殊電磁屬性,實現(xiàn)了超寬帶的頻率帶隙特性,從而抑制其結(jié)構(gòu)中的電磁波傳輸。

圖2 超材料單元傳輸系數(shù)S12隨參數(shù)f1的變化曲線

圖3 超材料單元傳輸系數(shù)S12隨參數(shù)f4的變化曲線

2 具有反射面天線的結(jié)果分析

硅基底是具有高介電常數(shù)的材料,也是集成電路常用基底,因此,用硅基底設(shè)計天線可以提高小型化和集成化的程度。文中以筆者設(shè)計的一款硅基MEMS超寬帶天線作為原始天線,用以上超材料單元構(gòu)成頻率選擇表面,置于超寬帶天線下方,作為天線的反射面,以此來提高原始天線性能,整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。原始天線為微帶天線結(jié)構(gòu),主要包括介質(zhì)基片、輻射貼片、饋線和接地板部分,其介質(zhì)基片同樣采用介電常數(shù)為11.9、厚度為400 μm的硅基底。由于天線的平面尺寸與其所采用的介質(zhì)基片介電常數(shù)成反比關(guān)系,因此,較高的介電常數(shù)可以縮小天線的平面尺寸,而且硅片是集成電路的常用基底,以硅作為基底設(shè)計的天線可以較容易實現(xiàn)單片集成,最終天線的幾何尺寸為14.6 mm×22.6 mm×0.4 mm。天線輻射貼片形狀為圓形,采用微帶線饋電方式,接地板采用寬矩形縫隙結(jié)構(gòu)置于介質(zhì)基片底部。由于原始天線的應(yīng)用背景是超寬帶系統(tǒng),因此,該天線若要實現(xiàn)超寬的阻抗匹配特性,需將接地板矩形縫隙的4個直角做圓角處理。因為如果天線接地板的縫隙為規(guī)則矩形時,4個直角的形狀具有明顯的突變特性,會使天線上的電流能量集中于突變區(qū)域而影響天線的輻射,因此,對直角結(jié)構(gòu)做平滑處理,使突變位置的電流強度變?nèi)?改善此原始天線的阻抗匹配特性,從而達到擴展天線工作帶寬的目的,筆者在文獻[16]中對此天線結(jié)構(gòu)有詳細的說明。經(jīng)過對天線結(jié)構(gòu)的改變和天線參數(shù)的優(yōu)化,最終得到該天線的工作頻率范圍為3.62～9.68 GHz,工作帶寬在6 GHz以上,并且工作頻段內(nèi)其增益變化范圍為2.1～3.3 dB。

圖4 具有反射面的超寬帶天線結(jié)構(gòu)

頻率選擇表面位于超寬帶天線的正下方,其基底同樣采用硅材料,其中,超材料單元以5×6方式排列,均勻分布于頻率選擇表面介質(zhì)基板的上表面,30個超材料單元共同組成天線反射面。每一個超材料單元在1～10 GHz范圍內(nèi)都具有帶阻濾波器的功能,當天線輻射的電磁波向后輻射而進入到由超材料單元所構(gòu)成的頻率選擇表面時,頻率禁帶功能會抑制電磁波的傳輸,電磁波傳輸效率極低,近似起到了全反射的作用。正因為超寬帶天線所輻射的電磁波信號無法在頻率選擇表面結(jié)構(gòu)中傳輸,減少了上方超寬帶天線的反向輻射損耗,增加了正向輻射能量,從而提高了天線的定向輻射性能。

對超材料頻率選擇表面結(jié)構(gòu)提高超寬帶天線增益特性進行仿真分析,得到加入頻率選擇反射面前后超寬帶天線增益的對比,其結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出,當超寬帶天線下方加入超材料頻率選擇表面結(jié)構(gòu)后,在9 GHz頻率點下,超寬帶天線增益提高幅度最大,增益提高了4.6 dB,在整個超寬帶系統(tǒng)的工作頻段范圍內(nèi),原始天線的增益平均提高了3.28 dB?？梢?具有頻率選擇反射面結(jié)構(gòu)的超寬帶天線,在沒有改變天線基礎(chǔ)幾何結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,保證了原始天線工作帶寬不變的同時增加了增益,從而提高了天線的定向輻射能力。

圖5 超寬帶天線增益的對比

3 結(jié)束語

文中所設(shè)計的超材料頻率選擇表面結(jié)構(gòu)具有超寬的頻率選擇特性,在整個超寬帶系統(tǒng)的工作頻段內(nèi)都具有帶阻濾波的作用,使超寬帶信號無法在其表面?zhèn)鬏?對于加載所設(shè)計頻率選擇表面結(jié)構(gòu)的天線而言,可以有效地解決天線后向輻射的損耗問題,使天線輻射能量更集中而提高增益參數(shù),并且整體結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小且低剖面,易于集成和加工制作,非常適用于小型化和集成化的超寬帶系統(tǒng)應(yīng)用。同時,如果天線工作頻段符合超材料單元工作限定的頻率范圍,那么所設(shè)計的超材料單元結(jié)構(gòu)也可以起到抑制電磁能量反向傳輸?shù)淖饔?因此,該結(jié)構(gòu)對于超寬帶天線具有一定的通用性。