一种新型零折射率超材料在微带天线中的应用

杨宇

摘要：研究了一种对称金属带零折射率超材料，并将该结构作为覆层应用于在C波段工作的微带天线。采用Ansoft HFSS软件对超材料结构进行仿真，得到回波损耗曲线，再利用NRW反演算法求出等效介电常数和磁导率，验证了该结构在5.47GHz处介电常数为零，进而实现了超材料的折射率为零。最终结果表明，加载超材料的微带天线E面、H面半功率波束宽度分别收缩了33°和17°，侧向辐射减弱，增益提高了2.71dB。

关键词：零折射率;超材料;C波段;微带天线;增益

1 引言

电磁超材料（metamaterial）[1]，也称为新型人工电磁材料、新型人工电磁媒质、特异媒质，是通过人工方式加工或合成的、具有周期或非周期排列的亚波长单元结构，拥有不同于常规材料的电磁特性和光学物理特性，兴起于21世纪初。该材料具有不同寻常的电磁特性，如：负折射现象、反常切伦科夫现象、逆多普勒效应等。利用负折射率超材料的折射率特性，通过将其合理加载于天线的辐射端，可以有效的起到汇聚电磁波的作用，从而提高天线的增益和定向性[2]。

近来作为人工电磁超材料的另一分支，对于零折射率超材料的研究引起了广泛关注，零折射率材料由于本身性质介于正负折射率之间，其本身具有很多奇特的性质是正负折射率材料所不具有的。在2002年，法国的Enoch等人首次将辐射源放置到零折射率材料内部，辐射出的能量被限制在一个周围介质狭小的圆锥区域内，辐射出的电磁波相对于没有嵌入到零折射率材料时得到了改变，增益和方向性得到了提高。在之后的十多年里乃至现在，以零折射率超材料作为覆盖层来提升天线的性能指标[3-5]仍然是热门的研究方向。

本文基于以上思路研究了一种对称金属带零折射率超材料模型，并将其应用于在C波段工作的微带天线。天线作为无线设备必不可少的组成部分，它的功能主要是接收和发射无线电波，本文的研究成果在一定程度上弥补了传统微带天线增益较小、方向性系数较小的缺陷，这使得微带天线在移动通信中将会得到更好的应用。

2 超材料单元结构

基于零折射的波束汇聚原理，设计了一种对称金属带（Symmetrical metal strip，SMS）零折射率超材料结构，如图1所示。

利用Matlab对SMS单元进行参数反演，仿真结果表明在5.47GHz 处该单元有较好的近零折射效果，折射率为0.0006+0.1428i。进一步观察等效介电常数和等效磁导率可以看出，在该频点处其介电常数为0.0004+0.004i，磁导率为-0.4878+5.398i，从而验证了所提出的SMS单元为介电常数近零（ENZ）单元。

3 微带天线设计及超材料加载

微带天线的相关参数包括辐射元的长度和宽度，介质层的长度、宽度、厚度、相对介电常数和损耗正切。通过通用计算公式可以确定上述参数的具体数值[6]。通过超材料设计部分分析可知，微带天线的谐振频点需要和超材料的近零频点相匹配，因此本文设计的同轴微带天线工作频率为5.47GHz。

超材料加载模型如图2所示，本文的SMS结构以1x12x6阵列的排列形式作为微带天线覆层，该覆层最下端和微带天线贴片的距离为5mm。

经HFSS软件模拟仿真，加载超材料覆层后，其回波损耗相对于单一微带天线来说有所增加，这说明超材料覆层与微带天線形成了较好的传输性能匹配;E面和H面的二维增益由5.94dB增加到8.65dB，两个面的半功率波束宽度分别减小33°和17°;图3是加载超材料覆层后的三维增益图，增益最大值为8.6515dB。从图中可以看出天线在加载超材料后，旁瓣辐射变窄，正向辐射方向集中更多能量，辐射变得更为集中。

4 结论

本文将零折射率的对称金属带结构用于普通微带天线，利用该结构汇聚天线波束的性质，设计了一种零折射率高定向性天线。仿真结果表明，采用此结构的微带天线与普通微带天线相比，其E面、H面半功率波束宽度分别减小33°和17°，侧向辐射减弱，增益提高了2.71dB，较好的提高了天线定向性。

参考文献

[1] Veselago V G.The electrodynamics of substances with simultaneous

negative values of ε and μ[J].Soviet Physics Uspekhi，1968，10（4）：509-514.

[2] S.Balon，J.A.Buyco，J.J.Marciano.Sectorization of UHF RFID Tags using aSteerable Phased Antenna Array[C].Proceedings of 2010 IEEE StudentConference on Research and Development，Putrajaya，2010，16-20.

[3] Jeongho ju，Dongho kim，Wangjoo J.Lee，et al.WIDEBAND HIGH-GAIN    ANTENNA USING METAMATERIAL SUPERSTRATE WITH THE ZERO REFRACTIVE INDEX.MICROWAVE AND OPTICAL TECHNOLOGY LETTERS，2009，51（8）：1973-1976.

[4] Ji-jun Wang，Lei-lei Gong，Yu-xin Sun，et al.High-gain composite microstrip patch antenna with the near-zero-refractive-index metamaterial.Optik，2014，125：6491-6495.