基于新型超材料結(jié)構(gòu)的高效率發(fā)射天線技術(shù)研究綜述

楊琬琛 車文荃 陳東旭 陳思

摘要近年來，超材料打破了傳統(tǒng)材料或結(jié)構(gòu)的物理極限，為高效率發(fā)射天線的發(fā)展開辟了嶄新的研究空間，獲得了愈來愈廣泛的關(guān)注。首先介紹了超材料的理論和結(jié)構(gòu)研究概況，然后針對幾種新型超材料技術(shù)在提高平面天線單元效率的研究工作進行了詳細介紹和分析，包括非周期超材料技術(shù)、超材料作為新型輻射元或低剖面反射板等方面。最后，針對無線能量收集系統(tǒng)對高效率天線陣列的需求，介紹了高次模激勵技術(shù)和新型低損耗傳輸線技術(shù)，以此降低陣列饋電網(wǎng)絡(luò)的損耗，從而提高系統(tǒng)的整體效率。關(guān)鍵詞超材料；低損耗；非周期；高次模；效率

中圖分類號TP13

文獻標(biāo)志碼A

收稿日期20161127

資助項目國家自然科學(xué)基金青年基金項目（61601224）；江蘇省自然科學(xué)基金青年基金項目（BK20160844）

作者簡介楊琬琛，女，博士，講師，主要研究方向為微波/毫米波天線、新型超材料天線等。yangwanchen@126.com

1南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，南京，210094

0 引言

天線作為無線通信系統(tǒng)中不可或缺的一個組成部分，主要功能除了用來輻射和接收電磁波以外，也是一個好的能量轉(zhuǎn)換器，能很好地完成高頻電流或?qū)Рㄅc同頻率無線電波的轉(zhuǎn)換。天線輻射效率用來表征高頻能量與無線電波能量之間的轉(zhuǎn)換程度，是衡量系統(tǒng)性能的一個重要指標(biāo)。尤其在微波能量收集應(yīng)用中，探究高效率的發(fā)射天線技術(shù)受到越來越廣泛的關(guān)注。

平面天線因具有較低的剖面、易于系統(tǒng)集成等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各種無線通信系統(tǒng)中。其中，微帶天線以其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低等特性受到廣泛的關(guān)注。但是，單個微帶天線增益偏低，存在介質(zhì)損耗和表面波損耗，輻射效率較低，在應(yīng)用時需要較多的單元構(gòu)成大型平面陣列天線，導(dǎo)致饋電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，饋線損耗變大，最終也會造成天線效率的顯著下降。近年來，由于超材料（Metamaterials）具有在自然界中并不存在但極具價值的電磁特性，打破了傳統(tǒng)材料或結(jié)構(gòu)的物理極限，為經(jīng)典電磁理論的發(fā)展拓展了更大的空間，因此其研究也獲得了愈來愈廣泛的關(guān)注。例如，利用超材料的后向波特性來設(shè)計微波隱形材料，利用超材料的負折射特性來拓寬諧振腔頻帶寬度，同時有效地減小器件尺寸等。此外，超材料還在微波天線方面有廣泛的應(yīng)用：利用其零折射率特性，增強天線的定向性，增大天線的增益；利用其雙負材料特性或零階諧振，可以大幅減小天線尺寸，有利于手機等移動通信設(shè)備的小型化設(shè)計；利用其電磁帶隙特性，可以抑制表面波的傳播，提高天線的增益，應(yīng)用于多天線中還可降低表面波帶來的互耦；利用其同相反射特性，可以有效降低天線的剖面等。超材料的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展，為實現(xiàn)高效率發(fā)射天線提供了更為有效的途徑。因此，探索新型超材料結(jié)構(gòu)，開展超材料在提高天線單元性能和實現(xiàn)低損耗陣列饋電技術(shù)等方面的應(yīng)用研究，具有很高的學(xué)術(shù)價值與應(yīng)用價值。

1 超材料的理論與結(jié)構(gòu)研究

目前，國內(nèi)外對于超材料還沒有一個嚴格的定義，學(xué)術(shù)界普遍將超材料定義為某種與自然介質(zhì)的物理特性迥然不同的人工復(fù)合材料。廣泛研究的超材料包括左手材料（LeftHanded Materials，LHM）、復(fù)合左/右手傳輸線（Composite Right/LeftHanded Transmission Line，CRLHTL）、電磁帶隙結(jié)構(gòu)（Electromagnetic BandGap，EBG）、人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)（Artificial Magnetic Conductor，AMC）等。其中，狹義的超材料是指左手材料（LHM），它是一種介電常數(shù)與磁導(dǎo)率均為負值的電磁材料，電磁波在其中傳播時的群速度與相速度方向相反，因而呈現(xiàn)出許多反常的物理光學(xué)現(xiàn)象，如逆Doppler效應(yīng)、逆Cerenkov輻射效應(yīng)、負折射率效應(yīng)和完美透鏡效應(yīng)等。1968年，Veselago[1]第一次提出了左手材料的概念。1999年P(guān)endry等[2]設(shè)計了由細金屬棒（ROD）陣列和金屬諧振環(huán)（SRR）周期排列組成的左手材料。但是，因為這種諧振型周期結(jié)構(gòu)損耗大、頻帶窄，實際工程應(yīng)用比較困難。2002年，Itoh教授提出了基于周期性LC網(wǎng)絡(luò)的左手材料[3]，當(dāng)電磁波在該傳輸線中傳播時，在某個頻率范圍內(nèi)呈現(xiàn)左手特性，而在其他頻率范圍內(nèi)呈現(xiàn)右手特性，所以也被稱為復(fù)合左/右手傳輸線（CRLHTL）。與諧振型左手材料相比，它具有寬頻帶、低損耗和可控的色散曲線等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于微波領(lǐng)域中。另外，電磁帶隙結(jié)構(gòu)（EBG）[4]也是一類比較典型的超材料，在某一頻率范圍內(nèi)有帶阻特性，在該阻帶內(nèi)任何電磁波不能在其中傳播，是光子晶體在微波、毫米波頻段的擴展。1999年，Sievenpiper等[5]在研究蘑菇型EBG結(jié)構(gòu)時發(fā)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)在特定頻率范圍內(nèi)具有很高的阻抗特性，能夠?qū)θ肷淦矫娌óa(chǎn)生同相位反射特性，與理想磁導(dǎo)體類似，因此，這種 EBG 結(jié)構(gòu)又被稱人工磁導(dǎo)體（AMC）。

關(guān)于超材料的理論研究非常多，主要集中在左手材料的負折射率特性引起的一系列奇異電磁學(xué)問題，包括奇異電磁特性、傳輸特性、交叉極化、非線性效應(yīng)、各向異性等。諧振型超材料通常采用Smith等[6]提出的反演算法，使用等效介質(zhì)理論反推出本構(gòu)參數(shù)，而傳輸線型超材料則需要用到色散關(guān)系來進行分析。超材料的這些理論研究使得人們能夠更加深入地了解超材料的本質(zhì)及其奇異特性，對超材料的實現(xiàn)及應(yīng)用起到了指導(dǎo)作用。

關(guān)于超材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計研究也有很多，主要包括低耗[7]、寬帶[8]、各向同性[9]、多頻[10]、可調(diào)諧[11]等諸多性能的設(shè)計研究。Ran等[8]設(shè)計了相對放置的Ω形狀左手材料，不僅克服了SRR環(huán)損耗較大的缺點，而且增大了帶寬。Koschny等[9]設(shè)計了一種基于連續(xù)交叉金屬線和全對稱多隙開口諧振環(huán)的三維左手材料，并獲得很好的各向同性特性。Chen等[10]采用兩個相對放置的S形諧振器來構(gòu)成左手材料，使得在兩個不同頻段介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時為負。Zhong等 [11]提出了一個可調(diào)諧的雙頻段負折射率超材料，由鐵氧體板、開口諧振環(huán)和金屬線組成，呈現(xiàn)兩個通帶，而且可以通過改變磁偏角達到動態(tài)可調(diào)。

2 基于超材料的高效率平面天線單元的研究

針對現(xiàn)代通信系統(tǒng)對天線效率的性能需求，結(jié)合不同天線單元形式，人們提出了許多新型超材料結(jié)構(gòu)[1216]。同時，在傳統(tǒng)超材料分析方法（如反演算法、色散圖法等）的基礎(chǔ)上，采用等效電路法、傳輸線法分析其對電磁波的調(diào)控能力，從而實現(xiàn)新型高效率天線單元設(shè)計。

2.1 基于非周期型超材料的高口徑效率的微帶天線單元

眾所周知，人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)（AMC）作為超材料的一種，具有在特定頻率范圍內(nèi)對平面波呈同相位反射的電磁特性，應(yīng)用于平面天線中，可在保證低剖面的同時大幅度提高天線的輻射增益和帶寬[1719]。然而，由于該結(jié)構(gòu)是由多個相同單元周期排布組成的，各單元與天線的距離不同會導(dǎo)致各單元耦合強度不一致，從而使得天線輻射口徑場的分布不均勻，大部分場強集中在中間區(qū)域，導(dǎo)致口徑效率較低。為解決此問題，文獻[12]提出了基于支節(jié)加載的人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)（StubLoaded AMC，SLAMC），并應(yīng)用于微帶天線中（圖1），通過合理優(yōu)化各單元加載支節(jié)的非周期分布來改善天線口徑場。由于AMC結(jié)構(gòu)在E面的尺寸對天線表面電流分布有很大的影響，加載支節(jié)的指向與微帶天線的E面一致，其等效電路如圖2所示。和普通AMC結(jié)構(gòu)類似，該SLAMC結(jié)構(gòu)也可以等效為一個并聯(lián)的LC諧振回路，可以看做是表面貼片結(jié)構(gòu)形成的自諧振阻抗Zg和接地介質(zhì)板引入的電感Ld的并聯(lián)。其中金屬支節(jié)可等效為類交指電容Ci，隨著支節(jié)長度L的增加，電容Ci的數(shù)值逐漸增大，且呈線性增長趨勢（圖2c）。所以，支節(jié)長度L對SLAMC結(jié)構(gòu)的容抗部分有很大的影響，可以明顯改變其表面電流分布。如圖3所示，加載優(yōu)化后的非周期SLAMC結(jié)構(gòu)，使得天線的近場電場強度明顯增強，且幅度分布變得更加一致。因此，該天線獲得了很高的增益和口徑效率，增益超過了12 dBi，口徑效率為83.3%。

另外，文獻[1314]提出了長方形人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)（Rectangle AMC，RAMC），并從投影等效角度分析設(shè)計了具有與圓柱型金屬反射體同等強反射能力的平面非周期RAMC地板，實現(xiàn)了高效率的新型平面天線單元設(shè)計（圖4）。對于三維的金屬反射體而言，當(dāng)饋源位于反射體焦點處，其具有極強的波束匯聚能力，遠超平面反射體。但由于該結(jié)構(gòu)是三維立體型，剖面較高，且不易與平面電路集成，應(yīng)用方面受到了很大的限制。采用投影等效理論可以設(shè)計出具有同等反射能力的平面反射板，如圖4a所示。將該圓柱型金屬反射體分割成離散的多個周期型RAMC單元，則不同位置RAMC單元的高度不同，邊緣的第n個RAMC單元所在位置與中心RAMC單元位置的高度差ΔZn為

假定沿y軸方向的入射電場E0垂直入射到該表面，不同單元之間的高度差會引起較大的波程差。由于RAMC結(jié)構(gòu)尺寸對其反射相位特性有很大的影響，該波程差可以通過改變RAMC結(jié)構(gòu)y方向尺寸獲得的反射相位差來補償，從而在平面情況下實現(xiàn)反射相位等效，如圖4b所示。這里設(shè)定AMC結(jié)構(gòu)沿x軸方向的邊長一致，均為lx，而沿y軸方向每排長度一致，但不同排的長度不同，記為ln，從中心向外每排長度依次是l1、l2、l3，上下各排的結(jié)構(gòu)分別對稱。這里采用雙端口差分饋電來降低微帶天線在H面的交叉極化電平。圖5給出了圓柱型金屬反射體和提出的非周期RAMC平面[14]的反射特性比較?？梢园l(fā)現(xiàn)，圖5a中坡印亭矢量分布說明了金屬圓柱可以沿垂直方向最大程度地反射電磁波，而且提出的非周期RAMC平面具有類似的坡印亭矢量分布；圖5b中金屬圓柱周圍磁場沿著y軸方向的一條直線逆時針旋轉(zhuǎn)，該直線可以認為是此金屬圓柱的焦線，而且提出的非周期RAMC平面具有類似的磁場分布，但是其焦線在RAMC結(jié)構(gòu)表面。因此，可以認為，當(dāng)天線位于該平面非周期RAMC地板表面時，具有與圓柱型金屬反射體同等的強反射能力，最終實現(xiàn)了口徑效率超過90%的新型高定向性平面天線設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，圓柱投影等效的非周期RAMC平面可以拓展應(yīng)用于球體投影等效的非周期平面設(shè)計中，用于實現(xiàn)高效率的新型雙極化MIMO天線設(shè)計。如圖6所示，通過同時改變RAMC結(jié)構(gòu)沿x和y方向尺寸，獲得了口徑效率超過90%且極化隔離達到30 dB的新型雙極化MIMO平面天線，為高性能的多功能MIMO天線設(shè)計提供了有效的技術(shù)參考。

2.2 基于周期型超材料輻射元的高效率新型天線

超材料除了具有特殊的電磁波調(diào)控能力外，還可以作為新型天線[1516]向外部輻射電磁波。文獻[15]中將多個周期型蘑菇型超材料結(jié)構(gòu)作為新型輻射元，采用基片集成波導(dǎo)（Substrate Integrated Waveguide，SIW）縫隙饋電，實現(xiàn)了60 GHz寬帶高效率的平面天線設(shè)計。由于傳統(tǒng)微帶天線是一種諧振天線，其尺寸跟工作頻率相對應(yīng)。當(dāng)工作在較高或較低頻率時，天線尺寸都會面臨較大或較小等問題而難以設(shè)計。但是，超材料具有很好的諧振特性，其諧振特性不僅與單元結(jié)構(gòu)尺寸相關(guān)，而且與相鄰單元間距、基板厚度以及單元個數(shù)相關(guān)，很容易實現(xiàn)高效率的電大或電小天線。文獻[15]針對毫米波天線，將多個蘑菇型超材料作為輻射單元，并采用微帶線的傳輸理論分析該新型輻射元的諧振模式及頻率。圖7a、7b中分別給出了4×4、2×2蘑菇型超材料結(jié)構(gòu)的傳輸線模型。通過相移結(jié)果的分析（圖7c），可以發(fā)現(xiàn)兩個180°相移頻點均在60 GHz附近，分別對應(yīng)著TM10模和TM20模的諧振頻率，從而可以獲得較寬的工作帶寬。基于該超材料輻射單元，設(shè)計了基于SIW縫隙饋電的新型毫米波天線，如圖8a所示。圖8b、8c分別給出了普通微帶天線和提出的新型超材料天線的駐波特性和增益特性，這里普通微帶天線設(shè)計了不同厚度和加金屬壁的情況。比較發(fā)現(xiàn)，提出的新型超材料天線的|S11|低于-10 dB的工作帶寬為11.6%，遠大于兩層介質(zhì)的普通微帶天線，與四層介質(zhì)的普通天線帶寬類似；但是，其增益遠大于所有普通微帶天線，最大輻射增益為9.5 dBi，比具有最高增益的普通微帶天線還高了4 dBi左右，且?guī)?nèi)增益均超過了8 dBi，這是由于超材料新型天線在毫米波段尺寸仍然可以設(shè)計較大，其面積幾乎充滿了整個輻射口徑，從而提高了天線的增益。新型超材料天線的提出與應(yīng)用，解決了普通微帶天線尺寸受頻率限制而無法廣泛應(yīng)用于較高或較低頻段的問題。除此之外，超材料作為新型天線，還可以用于寬帶高增益的低剖面圓極化天線設(shè)計[16]。

2.3 基于周期型超材料的高效率低剖面的金屬偶極子天線

對于天線單元來說，天線輻射效率er 為輻射功率Pr與輸入功率Pin之比，而輸入功率Pin由輻射功率Pr和損耗功率PL組成，即

其中Rr和RL分別為歸于同一電流的輻射電阻和損耗電阻?？梢园l(fā)現(xiàn)，損耗功率越小，輻射效率越高。對于一般天線而言，在損耗功率中主要考慮的是天線本身的導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗和表面波損耗。在傳統(tǒng)平面天線的所有損耗中，介質(zhì)損耗的數(shù)值較大，遠大于

導(dǎo)體損耗。由于該損耗由介質(zhì)基板引入，隨著介質(zhì)損耗角增加而增加。為提高天線的輻射效率，采用空氣作為天線介質(zhì)，從而避免介質(zhì)損耗，是很好的解決方案之一。與微帶天線相比，偶極子天線具有較寬的帶寬和較高的輻射效率，但與反射地板間需要一定的高度，尤其采用空氣介質(zhì)時高度達到1/4波長，很難應(yīng)用于低剖面平面天線中。

針對此問題，文獻[20]提出了基于高阻抗表面（HighImpedance Surface，HIS）的高效率低剖面蝶形金屬偶極子天線，如圖9a所示，即在金屬偶極子天線下方加載多個周期排布的高阻抗表面（HIS）。由于HIS具有遠大于自由空間阻抗的表面阻抗，在特定頻段內(nèi)呈現(xiàn)類似于理想磁導(dǎo)體的零相位反射特性（圖9b），使偶極子天線在低剖面時仍能實現(xiàn)同相疊加的輻射性能，獲得較高的輻射效率。這不僅避免了介質(zhì)損耗，提高了天線的輻射效率，而且天線的高度可降低至0.1個波長以內(nèi)，比較適合用于高效率的平面天線設(shè)計。

3 低損耗的天線陣列技術(shù)研究

對于陣列天線而言，饋電網(wǎng)絡(luò)往往會產(chǎn)生較大的損耗。天線陣列的效率為

e=eref=PrPr+PL1+PL2=RrRr+RL1+RL2， （4）

式中ef為饋電網(wǎng)絡(luò)的效率，RL1和RL2分別為天線和饋電網(wǎng)絡(luò)的損耗。為提高天線陣列的輻射效率，盡可能降低陣列饋電網(wǎng)絡(luò)損耗是一種有效途徑。有學(xué)者采用高次模激勵[2122]天線陣列的子陣，從而減少饋電網(wǎng)絡(luò)的級數(shù)，降低網(wǎng)絡(luò)損耗；還有采用新型低損耗傳輸線[2324]實現(xiàn)陣列饋電網(wǎng)絡(luò)，從而盡可能減少網(wǎng)絡(luò)損耗，提高系統(tǒng)的整體效率。

3.1 基于高次模激勵的低損耗高效率天線陣列

近年來，文獻[2122]提出了新型腔體高次模的饋電技術(shù)來激勵2×2、3×3或5×5的天線子陣列，應(yīng)用于大型天線陣列中，可取代天線陣列最后幾級的饋電網(wǎng)絡(luò)，減小網(wǎng)絡(luò)部分的損耗，提高天線陣列的整體效率。如圖10所示，采用同軸探針中心底饋來激勵正方形的基片集成波導(dǎo)（Substrate Integrated Waveguide，SIW），腔體內(nèi)部形成了TE330高次模。根據(jù)腔體內(nèi)部的場分布（圖10a）發(fā)現(xiàn)，在SIW上表面交錯地放置9個窄型輻射縫隙，可使所有縫隙輻射出來的能量同相位疊加，從而實現(xiàn)了無饋電網(wǎng)絡(luò)的3×3 SIW縫隙天線陣[21]。在此基礎(chǔ)上，在每個縫隙上方呈45°放置一個寄生貼片，可實現(xiàn)圓極化輻射（圖11）。該技術(shù)同樣可以應(yīng)用到更高的奇次模中，進一步減少饋電網(wǎng)絡(luò)的級數(shù)，但需要對各個單元的幅度進行補償，以保證各單元的幅度一致性，從而獲得較高的口徑效率。

同時，也可采用偶次模[22]來進行天線子陣激勵，提高天線陣列效率。如圖12所示，在SIW腔體中心采用縫隙耦合饋電，腔體內(nèi)部形成了TE220高次模場分布。然后在SIW上表面開4個方形輻射縫隙。由于耦合縫隙的上下部分相位相差180°，下方2個縫隙偏置應(yīng)與上方的2個縫隙相反，從而使所有縫隙輻射出來的能量同相位疊加，實現(xiàn)無饋電網(wǎng)絡(luò)的高效率2×2 SIW縫隙天線子陣[22]。

3.2 基于新型傳輸線的低損耗陣列饋電技術(shù)

在天線陣列饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計中，常采用的微波傳輸線包括金屬波導(dǎo)、微帶、帶狀線和基片集成波導(dǎo)等。其中，波導(dǎo)以其功率容量大、插損小、可靠性高等優(yōu)點獲得廣泛應(yīng)用，但它體積大、成本高，不適用于平面天線和大規(guī)模陣列中。微帶傳輸線具有低剖面、體積小、質(zhì)量輕、成本低等優(yōu)點，但其功率容量低，且作為陣列饋電網(wǎng)絡(luò)時，會產(chǎn)生寄生輻射，影響天線陣列的輻射特性，存在的輻射損耗也會惡化天線的輻射效率。基片集成波導(dǎo)（SIW）具備波導(dǎo)和微帶線的雙重優(yōu)點，低剖面、體積小、成本低，具有較大的功率容量和較高的Q值，沒有輻射損耗。但是在低頻段，SIW的傳輸損耗比微帶線大，這是由于較大的介質(zhì)損耗引起的。近年來，文獻[2324]提出了一種新型的合成波導(dǎo)——縫隙波導(dǎo)（Gap WaveGuide，GWG），如圖13a—13b所示。該波導(dǎo)分為上下兩層，下層為介質(zhì)，下層中間有一個條帶型脊，兩邊有多個蘑菇型超材料結(jié)構(gòu)周期性排列。蘑菇型超材料具有表面波阻帶特性，如圖13c所示，電磁場幾乎完全被束縛在脊的上方。由于空氣層的存在，該GWG結(jié)構(gòu)可以部分擺脫介質(zhì)的束縛，使傳輸損耗明顯低于SIW，同時保證了較低的剖面。因此，將該新型傳輸線作為天線陣列的饋電網(wǎng)絡(luò)，或者是天線子陣的饋電網(wǎng)絡(luò)，可以大大減小網(wǎng)絡(luò)的插入損耗，尤其針對較大規(guī)模陣列，低損耗優(yōu)勢更為明顯。但需要進一步研究新型傳輸線與其他傳輸線的低損耗過渡結(jié)構(gòu)，提高其與其他平面電路的兼容性，更大程度地增大系統(tǒng)的效率。

4 總結(jié)

本文

結(jié)合微波能量傳輸系統(tǒng)對發(fā)射天線高效率的需求，分別介紹并總結(jié)了近幾年來超材料在提高平面天線單元效率和降低陣列饋電網(wǎng)絡(luò)損耗等方面的研究工作，為實現(xiàn)高效率發(fā)射天線陣列的研究提供了技術(shù)參考，可以為無線能量收集所需的高效率天線提供一些設(shè)計指導(dǎo)。但這些技術(shù)大多只能獨立改善天線效率，與其他技術(shù)的兼容性尚未考慮。因此，如何結(jié)合這些技術(shù)，或?qū)⒊牧霞夹g(shù)與其他提高效率方法結(jié)合，是今后需要研究的重要課題。

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