刘 涛 曹祥玉 高 军 杨 群 李文强

(空军工程大学电讯工程学院，陕西 西安 710077)

引 言

微带贴片天线是最常用的印刷天线之一，它具有剖面低、结构简单、成本低和易共形的优点。然而此类天线却有一个显著缺点就是带宽窄。增加带宽的常用方法之一就是增加介质基底的厚度，同时介电常数要小，但厚度增加会导致较大的表面波和寄生辐射，使增益降低。超材料(metamaterial)的出现为克服传统天线缺点，设计新型天线提供了新的技术手段。基于metamaterial的微带贴片天线具体应用形式主要有以下四类：1) metamaterial激励型天线。这种天线的工作机理是将metamaterial设计作为天线的一部份，metamaterial结构在天线系统中起到了辐射作用，可以有效改善原始天线的性能，比如增大工作带宽[1-3]、提高天线的效率[4]、天线小型化等[5]。2)天线基板中全部或部分加载metamaterial。利用metamaterial的电磁带隙特性，抑制基板中的表面波，从而减小天线的后向辐射，提高前向增益[6]；应用在阵列天线中，将有效抑制天线单元之间的互耦[7]；如果是利用metamaterial(电负媒质、磁负媒质以及双负媒质等)作为天线基板，可以构成亚波长谐振腔，进而构造出亚波长天线，实现天线的小型化，在保证辐射效率不变的前提下也具有较高的增益[8-10]。3)metamaterial覆层型天线。这种加载方式主要是利用metamaterial的零折射原理来实现天线的高增益、窄波束特性[11-12]。4)metamaterial低雷达散射界面(RCS)天线。利用metamaterial的带阻特性做天线基底，则带外电磁波能够透射过去进而减缩天线RCS[13]；利用metamaterial的同向反射特性制造超薄吸波材料，放置在天线口径周围可有效吸收入射电磁波，降低RCS[14-15]。

文献[16]通过在天线贴片和接地面上蚀刻平面metamaterial图案提出了一种新颖的宽带高增益贴片天线，但其采用的metamaterial结构是一种窄带高损耗结构，对天线带宽扩展有一定的限制。文献[17]提出了一种基于三角谐振单元的宽带低损耗metamaterial单元结构。本文利用文献[17]结构代替文献[16]结构，天线带宽得到了进一步展宽，带宽内增益值变化较小，实验结果与仿真结果取得了较好的一致性。

1.天线设计与分析

本文提出天线结构及其具体尺寸如图1(a)和(b)，在天线贴片上蚀刻周期CTER图案，接地面上蚀刻周期条形缝隙，为了使新天线和初始天线在馈电输入能量上保持一致，在馈电微带线下方和周围没有蚀刻图案。与文献[16]相比，天线贴片和接地面结构尺寸相同，差别在于贴片图案调整为文献[17]中左手单元结构(TER)的互补结构CTER，同时根据现有的加工材料规格，介质基底虽仍采用罗杰斯5880，εr=2.2，但厚度由文献[16]中0.794 mm微调为0.78 mm.CTER单元结构如图1(c)，具体尺寸为等腰直角三角形直角边边长a=2.5 mm，斜边开口左边线长(右边线长与其相等)b=1.52 mm，两个三角环间距d=0.2 mm.开口宽度g=0.5 mm，中间金属线宽度t=0.2 mm，三角形线宽w=0.2 mm.文献[17]已证明该结构尺寸TER单元的左手特性，因此，这里不再讨论。

(a) 天线贴片 (b) 接地面

(c) CTER单元图1 CTER单元结构及贴片天线的结构

分析新天线结构可以看到：天线贴片上CTER单元图案和接地面条形缝隙图案分别是文献[17]左手单元结构(TER)和金属条(SWs)的互补结构。根据文献[18]提出的巴比涅互补原理在metamaterial设计中的应用，CTER和条形缝隙恰好构成一个具有左手特性的耦合电容电感电路。相比文献[16]贴片图案结构，本文结构对介质基底的等效媒质参数产生了更为强烈的影响。

2.仿真与实验

使用有限元仿真软件HFSS10.0对初始天线和新天线进行了仿真分析，新天线地面缝隙尺寸分别取0.3 mm和0.4 mm.仿真的新天线和初始天线的回波损耗S11结果如图2.由仿真结果可以看到(括号中为文献[16]仿真结果)：初始天线的-10 dB工作带宽是7.56～7.78 GHz(7.1～7.3 GHz)，谐振中心频率7.67 GHz(7.2 GHz)，绝对带宽0.22 MHz(0.2 MHz)，相对带宽2.9%(2.8%)。当接地面缝隙宽度为0.4 mm时，-10 dB工作频带为4.62～9.02 GHz(5.3～8.5GHz)，谐振中心频率6.82 GHz(6.9 GHz)，绝对带宽4.4 GHz(3.2 GHz)，是初始天线带宽的20倍(16倍)，相对带宽64.5%(46.4%)。当缝隙宽度为0.3 mm时，-10 dB工作频带4.66～8.78 GHz(5.7～8.6 GHz)，谐振中心频率6.72 GHz(7.15 GHz)，绝对带宽4.12 GHz(2. 9GHz)，是初始天线的18.7倍(14.5倍)，相对带宽61.3%(40.6%)。可以看到：本文提出天线绝对带宽在两种情况下都显著大于文献[16]的结果。由于介质基底厚度和仿真模型的稍微差别，初始天线中心频率相差了470 MHz.

图2 回波损耗仿真结果

为了证实仿真分析结果，加工了新天线和初始天线，新天线照片如图3，并用Agilent N5230C矢量网络分析仪测试了天线回波损耗S11和驻波比(VSWR)，测试结果分别如图4和5，和仿真结果相比，二者-10 dB工作带宽基本一致。VSWR值大部分都在2.0以下，低的VSWR值表明新天线辐射效率较高，损耗较小。

图3 加工的天线照片

图4 回波损耗测试结果

图5 仿真和测试的驻波

由于左手传输特性，新天线最大辐射方向在水平方向而不是传统贴片天线的垂直方向。为了证实天线的这一特性，在工作带宽内随机选取了两个频率6.6 GHz和7.7 GHz，给出了其3维和2维辐射方向图，如图6和图7.从方向图可以看到：天线辐射能量主要集中在水平x方向，在y方向也有较强的辐射，而且在两个方向交叉极化也得到较好的抑制。利用天线的这一辐射特性可以传输两路正交信号，在某些情况下该天线能够得到应用。

蚀刻metamaterial结构后，天线最显著特点之一就是带宽的展宽。一般微带天线带宽展宽伴随天线增益的降低，但本结构形式的天线增益在整个带宽内仍保持了较高的增益。图8给出了接地面缝隙宽度0.4 mm时天线在整个工作频带内的增益计算值，可以看到：天线增益一般都在5 dB以上，最大增益7.5 dB.相比文献[16]的天线增益，新天线在整个带宽内增益变化幅度较小，最大增益也稍微增大。分析认为，这是由于新天线采用的CTER结构有更大的左手特性带宽和更低的损耗引起的。

(a) 6.6 GHz xy-平面

(b) 7.7 GHz xy-平面

(c) 6.6 GHz yz-平面

(d) 7.7 GHz yz-平面图7 3维方向图

图8 接地面缝隙宽度0.4 mm时天线增益

利用平面波照射观察了新天线两个鼻锥方向的RCS，并与初始天线进行了比较，如图9，可以看到：在工作带宽内，新天线在x和y两个辐射方向RCS都有5 dB以上的减缩，最大减缩22 dB.

图9 天线鼻锥方向RCS比较

3. 结 论

自从metamaterial概念出现以来，天线工程人员就一直努力尝试在实际工程中应用metamaterial以设计新颖的天线。文献[16]提出的新天线具有很好的工程应用价值，本文利用具有宽带低耗特点的metamaterial结构代替文献[16]中窄带高损耗metamaterial结构，天线带宽由3.2 GHz展宽到4.4 GHz(相对带宽由46.4%展宽到64.5%)，天线最大增益有所提高，在工作带宽内天线鼻锥方向RCS得到了有效减缩。

[1] PALANDOKEN M, GREDE A, HENKE H. Broadband microstrip antenna with left-handed metamaterials[J]. IEEE Transaction on Antennas Propagation, 2009, 57(2):331-338.

[2] 杨国敏, 金荣洪, 耿军平, 等. 基于开环谐振结构的超宽带天线设计[J]. 电波科学学报, 2008, 23(2): 239-242.

YANG Guomin, JIN Ronghong, GENG Junping, et al. Design of ultra wideband (UWB) antenna based on split ring resonators[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2008, 23(2): 239-242. (in Chinese).

[3] ZHANG Yan, HONG Wei, YU Chen, et al. Planar ultra wideband antennas with multiple notched bands based on etched slots on the patch and/or split ring resonators on the feed line[J]. IEEE Trans Antennas Propag, 2008, 56(9): 3063-3068.

[4] PYO S, BAIK J W, CHO S H, et al. Metamaterial-based antenna with triangular slotted ground for efficiency improvement[J].Electronics Letters,2009,45(3): 144-146.

[5] AZADEGAN R, SARABANDI K. A novel approach for miniaturization of slot antennas[J]. IEEE Trans Antennas Propag, 2003, 51(3): 421-429.

[6] ABEDIN M F, ALI M. Effects of a smaller unit cell planar EBG structure on the mutual coupling of a printed dipole array [J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2005(4): 274-276.

[7] 唐明春, 肖绍球, 高山山, 等. 新型电谐振人工异向介质抑制阵列天线单元间互耦[J]. 物理学报， 2010， 59(3): 1851-1856.

TANG Mingchun, XIAO Shaoqiu, GAO Shanshan, et al. Mutual coupling suppressing based on a new type electric resonant SRRs in microstrip array[J]. Acta Physica Sinica, 2010, 59(3):1851-1856. (in Chinese).

[9]BILOTTI F, ALA, VEGNI L. Design of miniaturized metamaterial patch antennas with μ-negative loading[J]. IEEE Trans Antennas Propag, 2008, 56(6):1640-1647.

[10] LEE Y, HAO Y. Characterization of microstrip patch antennas on metamaterial substrates loaded with complimentary split-ring resonators[J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2008, 50(8): 2131-2135.

[11] LI Y, ESSELLE K P. Small EBG resonator high-gain antenna using inphase highly-reflecting surface[J]. Electronics Letters, 2009, 45(21): 1058-1060.

[12] 吴 群, 潘 攀, 孟繁义，等. 内嵌异向介质平板透镜型喇叭天线特性研究[J]. 电波科学学报， 2008,23(1): 49-54.

WU Qun, PAN Pan, MENG Fanyi，et al. Properties of horn antenna embedded with flat metamaterial lens [J]. Chinese Journal of Radio Science, 2008, 23(1):49-54. (in Chinese)

[13] 凌 劲, 龚书喜, 张鹏飞. 一种微带贴片天线RCS减缩新方法[J]. 西安电子科技大学学报(自然科学版)，2010,37(2):295-299.

LING Jin, GONG Shuxi, ZHANG Pengfei. Method for RCS reduction of the mircostrip patch antenna[J]. Journal of Xidian University, 2010, 37(2):295-299. (in Chinese)

[14] LI Youquan, ZHANG Hui, FU Yunqi, et al. RCS reduction of ridged waveguide slot antenna array using EBG radar absorbing material[J]. IEEE Antennas Wireless Propag Lett, 2008(7): 473-476.

[15] 李有权, 张光甫, 袁乃昌. 基于AMC的吸波材料及其在微带天线中的应用[J].电波科学学报, 2010, 25(2): 353-357.

LI Youquan, ZHANG Guangfu, YUAN Naichang. Ultra thin absorber based on the AMC structure and its application to the microstrip antenna [J]. Chinese Journal of Radio Science, 2010, 25(2): 353-357. (in Chinese)

[16] LI L W, LI Y N, YEO T S, et al. A broadband and high-gain metamaterial microstrip antenna[J]. Applied Physics Letters, 2010, 96(16): 164-101.

[17] ZHU Cheng, LIANG Changhong, LI Long. Broadband negative index metamaterials with low-loss[J]. Int J Electron Commun, 2010, 65(9): 724-727.

[18] FALCONE F, LOPETEGI T, LASO M A G, et al. Babinet principle applied to the design of metasurfaces and metamaterials[J]. Phys Rev Lett, 2004, 93(19):197-401.