陳新偉, 樊思夢

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院, 山西 太原 030006)

0 引 言

近年來, 許多無線通信領(lǐng)域越來越需要具有全向輻射的天線, 如無線廣播、 蜂窩網(wǎng)絡(luò)、 人體表面波通信、 V2X通信等領(lǐng)域。 目前, 許多研究人員已經(jīng)設(shè)計(jì)出一些垂直極化的具有寬阻抗帶寬的圓形微帶貼片天線。 文獻(xiàn)[1]中低剖面圓形貼片天線的相對阻抗帶寬為27.4%, 天線的最大輻射角與水平面呈45°。 為了使天線的覆蓋范圍更廣, 可以將最大輻射方向調(diào)整到接近水平面方向。 目前, 已經(jīng)有很多研究人員提出了一些方法來提高全向天線的水平面增益。

Jaehoon Choi[2]提出在圓形貼片天線周圍加載8個(gè)褶皺導(dǎo)體接地壁, 用來引導(dǎo)電磁波沿著水平面?zhèn)鞑? 使天線實(shí)現(xiàn)了0.75 dBi的水平面增益; Liu A等[3]在圓形貼片天線周圍加載了6組3面短路、 一面開路的扇形條帶, 應(yīng)用磁偶極子來引導(dǎo)電磁波靠近水平面, 使天線的水平面增益提高到1.06 dBi。 之后, 他們又在圓形貼片天線外圍垂直加載了8對I字形條帶, 使天線達(dá)到1.80 dBi的水平面增益, 但是同時(shí)也增加了天線的加工難度[4]; Lin S等[5]通過在天線周圍加載3圈帶有短路通孔的環(huán)形金屬導(dǎo)向器, 使天線的水平面增益提高到了3.72 dBi, 增大增益的同時(shí)也增大了天線的尺寸。

超材料作為一種具有特殊性質(zhì)的人造材料, 也可以有效提高天線的增益。 它通過改變折射率和介電常數(shù)等有效參數(shù)來控制電磁波在材料中的傳播, 進(jìn)而改變天線的輻射特性, 提高期望方向上的增益; Guo Y.等[6]通過在天線正上方放置一個(gè)由近零折射率超材料晶胞組成的超材料基板, 使得天線在一定頻率范圍內(nèi)的水平增益提高了1 dB以上; Tang H.等[7]將中心饋電的圓形貼片和樹枝狀超材料晶胞共面放置, 提高了全向天線的峰值增益; Zhang T.等[8]將雙箭頭狀超材料組成方形環(huán)放置在天線周圍, 使天線在一定頻率范圍內(nèi)的水平增益提高了0.6 dB; Feng G.等[9]同時(shí)加載由方形貼片組成的超材料基板和截?cái)喑牧戏江h(huán), 使表面波沿超表面?zhèn)鞑? 天線的峰值增益提高了0.5 dB～1 dB。

本文提出了一種新型超材料結(jié)構(gòu), 該超材料具有近零折射率的特性。 將超材料晶胞軸對稱地分布在全向天線四周, 引導(dǎo)電磁波的傳播方向靠近水平方向, 提高了水平面增益。 天線工作在5.78 GHz～6.12 GHz, 加載超材料后, 天線在通帶內(nèi)的水平增益能提高至少0.5 dB, 最大水平增益可以達(dá)到2.68 dBi。

1 NZRIM的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的超材料晶胞結(jié)構(gòu)如圖1 所示, 由兩個(gè)上下對稱的“C”字形條帶和一個(gè)彎折條帶組成, 被印刷在F4b(εr=2.2, tanδ=0.002)介質(zhì)基板的上層和下層。 通過Ansoft HFSS仿真軟件進(jìn)行建模。 如圖2 所示, 在近零折射率晶胞的左右兩邊通過波端口激勵(lì), 上下設(shè)置成理想電壁(PEC), 前后兩面設(shè)置成理想磁壁(PMC), 電磁波沿x軸方向傳播。 經(jīng)過優(yōu)化后, 超材料晶胞的各項(xiàng)參數(shù)為:a1=b1=11 mm,s=5 mm,c1=c2=2mm,c3=2.5 mm,d=3.8 mm,w=0.5 mm。

圖1 超材料晶胞的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of metamaterial cell

圖2 NZRIM晶胞的建模設(shè)置Fig.2 Modeling setup of NZRIM unit cell

根據(jù)史密斯等人提出的方法, 可以計(jì)算出超材料晶胞的各項(xiàng)電磁參數(shù), 計(jì)算方法為

(1)

μ=nz,

(2)

(3)

(4)

式中:ε,μ,n分別為有效介電常數(shù)、 有效磁導(dǎo)率和有效折射率;z為波阻抗;d是超材料的厚度;k0是真空中的波數(shù);S11和S21是散射參數(shù);m是用于標(biāo)識反余弦函數(shù)的分支的整數(shù)[10]。 晶胞仿真得到的S參數(shù)如圖3 所示。

(a) S參數(shù)幅值

由圖3 可知, 晶胞的S21值在5.8 GHz時(shí)有一個(gè)突變, 這意味著這個(gè)點(diǎn)附近的電磁特性將要發(fā)生改變[11]。 圖4 分別給出了計(jì)算出的折射率、 有效介電常數(shù)和有效磁導(dǎo)率。 從圖4 中可以看出, 在5.78 GHz～6.00 GHz有正的介電常數(shù)和負(fù)的磁導(dǎo)率, 而折射率的實(shí)部接近零, 所以, 可以利用超材料單元的近零折射率特性。

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

2 天線的設(shè)計(jì)與性能分析

2.1 加載NZRIM的天線

為了改善天線的輻射方向圖, 提高天線的水平面增益, 將NZRIM晶胞周期排布, 軸對稱地分布在全向貼片天線的四周。 天線的介質(zhì)基板尺寸為110 mm×110 mm×2 mm。 超材料晶胞中心距離圓形貼片中心v=48 mm, 相鄰晶胞之間的距離q=9.6 mm, 加載NZRIM晶胞的天線結(jié)構(gòu)示意圖如圖5 所示。 對設(shè)計(jì)的全向天線進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化, 天線的各部分參數(shù)如表1 所示。

表1 天線各部分的尺寸Tab.1 The values of the antenna

(a) 俯視圖

圖6 和圖7 給出了加載超材料前后天線S參數(shù)和5.8 GHz處的輻射方向圖。 從圖中可以看出, 加載超材料后天線的阻抗帶寬向由5.69 GHz～6.00 GHz變化為5.74 GHz～6.05 GHz; 天線最大輻射方向和水平面處的增益都有所增加, 而天線的水平面增益不圓度有所增大, 旁瓣增益有所降低, 水平面的增益從1.97 dBi提高到2.66 dBi, 與原始天線相比, 提高了0.69 dB。

圖6 加載NZRIM前后天線的S參數(shù)Fig.6 S parameter of antenna with/without NZRIM

(a) E面輻射方向圖

圖8 給出了電磁波穿過NZRIM后的傳播特性。 由相速度公式vp=ω/k=1/(εμ)1/2可以看出(ω為角頻率,k為波數(shù),ε和μ分別為有效介電常數(shù)和有效磁導(dǎo)率,vp為相速度): 只要ε或μ其中一個(gè)值接近零, 波數(shù)k就會(huì)無限接近零, 而波長會(huì)因此接近無限長, 這就意味著, 近零折射率超材料中電磁波的相位在相當(dāng)大的一個(gè)范圍內(nèi)變化非常小[12-13]。 所以, 電磁波在經(jīng)過近零折射率超材料后, 出射電磁波各點(diǎn)的坡印廷矢量將會(huì)垂直于材料的出射面。 將部分電磁波集中在垂直于出射面的方向, 從而減小天線的半功率波束寬度, 提高最大輻射方向上的增益和水平面附近的增益。

圖8 電磁波穿過NZRIM的傳播特性Fig.8 Propagation of electromagnetic wave passing through NZRIM

2.2 超材料個(gè)數(shù)對天線性能的影響

為了研究加載超材料晶胞的個(gè)數(shù)對天線性能的影響, 圖9 給出了天線在5.8 GHz處加載不同超材料晶胞時(shí)的電場輻射方向圖。 從圖中可以看出, 隨著加載超材料單元的增加, 天線的水平面增益逐漸提高, 不圓度逐漸減小, 當(dāng)N=11時(shí), 水平面最大增益提高了0.69 dB, 不圓度小于1.1 dBi。

(a) E面輻射方向圖

3 測試結(jié)果

本文所設(shè)計(jì)的高水平面增益全向天線的實(shí)物如圖10 所示, 天線的尺寸為2.13λ0×2.13λ0×0.03λ0(λ0為空氣中的波長), 與文獻(xiàn)[5-6,9]中的天線相比, 天線具有更低的剖面。 使用Agilent N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和SZ-VL天線自動(dòng)測試系統(tǒng)分別測試天線的反射系數(shù)和輻射方向圖。

圖10 天線的實(shí)物制作圖Fig.10 Fabrication drawing of antenna

測試結(jié)果如圖11 和圖12 所示, 由圖可知, 天線仿真和測試的-10 dB阻抗帶寬分別為5.74 GHz～6.05 GHz和5.78 GHz～6.12 GHz。 實(shí)際測試與仿真結(jié)果基本吻合。 圖12 分別給出了天線在5.8 GHz的E面及水平面(θ=90°)的仿真和測試的輻射方向圖, 測試和仿真結(jié)果基本一致, 測試的增益略小于仿真的增益。

圖11 天線仿真和測量的反射系數(shù)Fig.11 The simulated and measured reflection parameters of antenna

(a) E面輻射方向圖

圖13 為天線在不同頻點(diǎn)處仿真和測試的水平面增益曲線, 可以看到, 天線在5.80 GHz處測試的最大水平面增益達(dá)到了2.55 dBi。 此外, 天線在5.80 GHz～5.95 GHz范圍內(nèi)的水平面增益均在2.5 dBi左右, 在5.85 GHz達(dá)到了峰值增益2.68 dBi。 但是, 由于天線加工和測量過程中存在誤差, 使得天線在工作頻段內(nèi)的實(shí)測增益略低于仿真結(jié)果。

圖13 仿真和測試的水平面增益Fig.13 The simulated and measured horizontal gain

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一款低剖面高水平增益的全向型天線, 將近零折射率超材料晶胞軸對稱地分布在全向天線四周, 形成一個(gè)方形環(huán), 有效改善了全向天線的輻射方向圖, 提高了天線的水平面增益。 測試結(jié)果表明, 在加載NZRIM后, 天線的阻抗帶寬為5.78 GHz～6.12 GHz, 天線在整個(gè)通帶內(nèi)的水平增益提高了0.5 dB～1 dB左右, 最大的水平面增益達(dá)到了2.68 dBi。 這款天線在移動(dòng)通信中有很好的應(yīng)用潛力。