超材料微带天线的研究进展

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10.16638/ki.1671-7988.2019.07.068

超材料微带天线的研究进展

周精浩，董焱章*

（汽车动力传动与电子控制湖北省重点实验室，湖北汽车工业学院汽车工程学院，湖北 十堰 442002） 摘 要：汽车的智能网联化对车载雷达等智能车身传感器提出了更高的性能要求，其中内置微带天线的性能至关重要。超材料的新颖特性非常有利于提高微带天线的增益、小型化和集成化程度，这里超材料与微带天线的合理匹配是设计研究的重点。从天线结构角度来看，超材料微带天线的类型可分为超材料覆层型微带天线、超材料基板型微带天线、复合左右手传输线型微带天线。超材料微带天线在抑制天线表面波、提高天线方向性和天线多频化等方面具有很好的应用潜力。

关键词：超材料；微带天线；小型化；增益；集成化

中图分类号：U445 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2019)07-200-07

Research progress of metamaterial microstrip antenna

Zhou Jinghao, Dong Yanzhang *

（Hubei Key Laboratory of Automotive Power Train and Electronic Control, School of Automobile Engineering,

Hubei University of Automotive Technology, Hubei Shiyan 442002）

Abstract: The intelligent networking of automobiles puts higher performance requirements on smart body sensors such as vehicle radars, and the performance of built-in microstrip antennas is crucial. The novel characteristics of metamaterials are very beneficial to improve the gain, miniaturizion and integration of microstrip antennas. The Reasonable matching of metamaterials and microstrip antennas is considered to be the focus of design research. According to the structure of micro -strip antennas, it can be divided into metamaterial coated microstrip antenna, metamaterial substrate microstrip antenna and composite left/right- handed transmission line microstrip antenna. The metamaterial microstrip antenna has a good applica -tion potential in suppressing the antenna surface wave, improving the antenna directivity and multi-frequency antenna. Keywords: metamaterial; microstrip antenna; miniaturizion; gain; integrated CLC NO.: U445 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2019)07-200-07

前言

1953年Deschamps 首次提出微带天线，然而受限于覆铜、覆金介质基片光刻技术的落后，直到20世纪70年代Munson 和Howel 才制造出第一个实际意义上的微带天线[1]。微带天线具有体积小、结构简单、成本低、易与与其他电磁器件共形、方便与馈电网络和其他有源器件集成等优点。在汽车智能网连化蓬勃发展的过程中，对车载雷达等智能车身传感器

作者简介：周精浩，男，湖北汽车工业学院硕士生，主要研究方向：智能车身轻量化设计。*通讯作者：董焱章（1983-），男，博士，副教授，主要从事工程力学、结构与多学科优化、超材料设计等方面的研究。基金项目：国家自然科学基金青年科学基金（11502075，11504102，51605149）；汽车零部件技术湖北省协同创新项目（2015 XTZX0401，2015XTZX0421）；湖北汽车工业学院博士科研启动基金(BK201501) 。

周精浩 等：超材料微带天线的研究进展

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的集成化和小型化提出了更高要求，因此微带天线成为车用雷达的新选择，目前己有采用微带天线阵的汽车雷达系统

[2-3]

。但是传统的微带天线的增益普遍较低、性能受介质板材

影响较大，易激励表面波导致能量损耗、功率容量较低、频带较窄、馈电与辐射元之间存在着隔离差、方向性比较差等缺点制约微带天线的进一步发展和应用。上述问题亟需新的微带天线设计理论及研究，本世纪初脱颖而出的超材料设计理念[4-7]恰逢其时，随着超材料理论不断发展，目前超材料已经在天线、雷达、滤波器等领域得到应用，并取得较好的效果。

1 超材料的新颖特性及天线合璧

超材料是一类人工复合结构材料，它可以通过周期性的人工结构对外加电磁场产生相应的响应。随着研究的深入，超材料的范围也愈加广泛，主要包括：左手材料、光子带隙晶体、负磁导率材料，近零折射率材料和频率选择表面等[8]。超材料的思想最早可追溯到1904年，科学家Schuster A 和Lamb H 发现在吸波谐振频率处存在不规则色散，从而可能出现负群速。1968年，前苏联科学家Veselago [4]从理论上对这一思想进行拓展，提出了电导率和磁导率同时为负的可能性，但由于在自然界中没有找到该类材料，超材料受到质疑而没有任何进展。直到1996-1999年期间，英国科学家Pendry 等[5-6]提出一种通过细金属棒(Rod)阵列和金属谐振环(SRR)实现负的等效介电常数和负的等效磁导率的方法。2001年美国科学家Smith 等[7]成功制作出X 波段等效介电常数和等效磁导率同时为负的左手超材料，第一次从实验上证实了负折射的存在。

图1 超材料天线

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超材料理论上可以得到任意数值的磁导率或介电常数，极大突破了人们对传统材料的认识禁锢，超材料的发现引起人们极大地兴趣，越来越多的学者投入这个领域。近年来，超材料研究成果纷纷涌现，主要集中在两个方面：一是超材料新型结构的实现和性能优化，得益于先进的人工制备技术，左手超材料的结构越来越多样化，概括起来主要有五大类

[16]

，如以十字勋章形[17]、工字型[18]、川字型[19]、树枝型[20]、梯形[21]等为基础的谐振贴片型超材料，以及传输线集成型

[22]

、薄膜层合型[23]、颗粒复合型[24]、渔网型[25]等；二是超材

料在天线等工业领域内的应用，如圆片结构多带与宽带超材料吸波器[26]、超材料基板微带天线[27-28]、超材料滤波器等[29]。基于超材料理论设计出的天线如图1所示，不仅实现了较为完美的辐射而且突破了传统意义上的物理天线尺寸限制，这些均在智能车身传感器方面有潜在应用。

针对微带天线增益低、频带窄、方向性差的缺点，研究者提出了一些提升微带天线增益性能的方法，比如使用低介电常数的介质板降低天线的固有品质因子、添加寄生贴片和将单一天线组成天线阵列的形式等[2,30]，尽管这些方法可以提高天线增益，但同时也带来了尺寸变大、结构复杂和成本高昂等缺陷。超材料理论围绕负介电常数和负磁导率等基本属性，衍生了很多新颖的电磁特性，如基于负折射率的负折射[31]、超分辨率成像[32]、光子遂穿效应[33]等；基于后向波的逆多普勒效应[34]、

逆切伦科夫辐射[35]和反常古斯-汉森位移[36]等奇特属性[37]。超材料的新颖特性对于电磁器件的集成化、小型化和特定性能设计等意义重大。具体到微带天线研究，超材料的性能设计研究主要是从天线基底的改造、高性能天线覆层的布置、对辐射结构进行再设计等方面着手[38]，概括起来超材料微带天线结构有三种类型，即超材料基板微带天线、超材料覆层微带天线、复合左右手微带天线。

2 超材料基板型微带天线

微带天线的基板与天线的带宽、阻抗、品质因素和损耗等密切相关，无论是基板的相对介电常数，还是基板的厚度都会对微带天线性能产生影响。采用较厚的基板，可以得到较宽的频带，效率也较高，但基板厚度与波长比值过大会引起表面波的明显激励，通常经验认为天线电厚度不应超过五分之一的天线工作波长。采用高介电常数的介质基板，微带天线的尺寸较小，但带宽较窄，当减小基板介电常数时，可以使辐射对应的品质因子下降，从而使频带变宽，同时还将减小表面波对天线方向性的影响，在毫米波波段，表面波效应尤为显著。另外天线的带宽与高次模的产生又是互相矛盾的，而高次模的产生将会使得天线方向图恶化[39]。

普通材料基板的这些因素相互影响，很难获得满意的天线性能，无论对于微带天线还是其他种类的天线，增益都是一个重要的考量指标，增益并不是一个独立的参数，它与天线的尺寸，方向性系数，辐射效率和损耗等密切相关。具体到我们的车载雷达，天线的这些指标关系到汽车雷达的最大探测距离[42-43]。针对微带天线低增益，方向性差的特点，基于超材料理论，出现了很多改造天线基板的方法，常用的就是使用电磁带隙结构(EBG)，产生的谐振禁带效应抑制天线的表而波[40-41]，进而减小天线的辐射损耗，提高天线增益。

周期电磁带隙结构本身就是广义上的超材料，谐振结构(SRR)