（一） 項目簡介
為了拓寬微帶貼片天線的工作帶寬、減小天線體積，擬對天線結構進行超材料加載。通過合理設計超材料單元來改變天線電流分布，以期實現天線的帶寬化和小型化。
（二） 研究目的
針對微帶貼片天線輻射頻帶較窄的現狀，利用超材料加載的方法，在不增加天線物理尺寸的條件下，拓寬其工作頻帶，實現天線的寬帶化和小型化。
（三） 研究內容
設計超材料圖案以有效改變天線電流分布；利用等效電路法分析超材料電特性；研究超材料結構尺寸對天線輻射頻帶、增益、方向性等特性的影響；分析仿真結果與實驗測試結果間存在差異的主要原因。
（四） 國、內外研究現狀和發(fā)展動態(tài)
微帶天線具有體積小、剖面低、制造工藝相對簡單、便于共形等特點，在很多領域比如無線通信、雷達、衛(wèi)星導航等方面得到了廣泛的應用。然而，傳統(tǒng)的微帶天線頻帶較窄，并不能滿足日益增長的應用需求，近來超材料和人工電磁結構的興起，為天線設計提供了很多新途徑[1]。
新型電磁材料統(tǒng)稱為 Metamaterials， 其中Meta是一個古希臘的單詞前綴，有“超”的意思，一般譯為“超材 料”，亦即新型電磁材料[2]。這些材料都是人工合成材 料，能夠通過人為的方式，構造出不同的介質基板結構，實現特定的電磁功能，在電磁領域表現出一些在自然界 中不存在的現象，如頻率禁帶、負折射率等[3-5]。當把它們應用于天線設計領域中時，可顯著改善天線單元的性 能，如提高增益、增加帶寬等[6]。這些人工材料的出現，為克服當前在天線設計領域遇到的一些技術上的限制 提供了可能的解決方案。 新型電磁材料所具備的獨特電磁特性使其成為電磁領域一個研究熱點，其中尤以人工磁導體(Artificial Magnetic Conductor，AMC)的研究和應用 最為廣泛和深入[7-9]。
研究人員從倒 L 型單極子天線入手，分析了其在理 想導體(Perfect Electric Conductor，PEC)接地表面時的不 匹配現象，進而引入三種不同的 AMC 結構接地板來使得該天線達到匹配，并顯著增強了天線在其中心頻率處 的輸入阻抗帶寬[10]。Wang 等人研究了將AMC 表面應用于接地板的地剖面諧振腔天線。該天線由接地 板和金屬電磁介質層陣列構成，該陣列起到部分反射表面的作用，同時使用微帶天線來作為諧振腔的饋源，使用AMC接地板替代 PEC 接地板實現了將 天線的剖面降低 50%[11]。
Gonzalo 利用基底打孔電磁帶隙結構,很好地抑制了貼片天線的表面波，減小了天線后向輻射，使天線增益有了大幅的 提升。Llombart等人提出的平面圓對稱 EBG 結構，具有易于制作、抑制所有沿徑向傳播的表面波的 優(yōu)點，使印刷天線的帶寬提高到 20%。Coccioli等人將共 面緊湊式光子晶體結構用于縫隙耦合饋電貼片天線，成功抑制了表面波，使得天線的邊射增益提高了3 dB[12]。
Hosseinipanah 等人在原來傳統(tǒng) AMC 結構介質基板 上，添加了第二層頻率選擇表面結構，構成雙層 AMC(2L-AMC)結構,將傳統(tǒng) AMC 結構中使用的單層厚介質基板使用兩層薄介質基板來替代，在同等基板厚度下達到同樣的性能。最重要的是，這樣的雙層薄介質結構消除了傳統(tǒng)設計中單層厚介質基板價格昂貴且難以制得的影響，同時為天線的性能優(yōu)化提供了更多的可調節(jié)參數，更加有利于天線的精細化調節(jié)[13]。
通過使用 AMC結構來合理設計微帶天線的輻射貼 片和接地板，使二者在相同的頻段分別產生電諧振和磁諧振， 等效于構造了具有負介電常數和負磁導率的介 質，從而構成了一種基于新型電磁材料的微帶天線，實現了一般天線所不能達到的性能[14]。通過對以上文獻內 容分析綜合，可以看出，仿真和測試結果均表明使用新型電磁材料結構所設計的天線帶寬得到了極大提升，同時，在整個帶寬范圍內也保持了較高的增益[15]。
武警工程大學天線研究人員通過利用“四方形”超材料單元和周期條形縫隙刻在普通微帶天線的輻射貼片和接地板上，設計了3.67GHz-14.17GHz的小型化高增益微帶天線[16]。中北大學張敏等人通過在天線的輻射貼片和接地板上分別刻蝕花型和十字型交叉圖案，設計了寬頻帶定向微帶貼片天線[17]。
文獻[18]提出了基于支節(jié)加載的人工 磁導體結構并應用于 微帶天線中，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結構在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。和普通 AMC結構類似，該SLAMC結構 也可以等效為一個并聯的 LC 諧振回路，可以看作是表面貼片結構形成的自諧振阻抗Zg和接地介質板引入的電感 Ld 的并聯。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的數值 逐漸增大，且呈線性增長趨勢。所以，支節(jié)長度L對SLAMC結構的容抗部分有很大的影響，可以 明顯改變其表面電流分布。加載優(yōu)化后 的非周期 SLAMC 結構，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%。
文獻[19]中將多個周期型蘑菇型超材料結構作為新型輻 射元，采用基片集成波導縫隙饋電，實現了60 GHz寬帶高效率的平面天線設計。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。當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構尺寸相關，而且與相鄰單元間距、基板厚度以及單元個數相關，很容易實現高效 率的電大或電小天線。
文獻[20]提出了基于高阻抗表面的高效率低剖面蝶形金屬偶極子天線，在金屬偶極子天線下方加載多個周期排布的高阻抗表面。由于HIS 具有遠大于自由空間阻抗的表面阻抗，在特定頻段內呈現類似于理想磁導體的零相位反射特性，使偶極子天線在低剖面時仍能實現同相疊 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，比較適合用于高效率的 平面天線設計。
由此可見，這種將新型電磁材料應用到天線中的設計方法具有非常廣闊的研究前景。
參考文獻：
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（五） 創(chuàng)新點與項目特色
1.超材料是當前電磁學的研究熱點，將超材料技術引入到天線設計中，對超材料和天線的發(fā)展均有促進作用；
2.實現小型化和寬帶化一直是天線設計的重點和難點，利用超材料加載來提高天線性能是一種有效手段。
（六） 技術路線、擬解決的問題及預期成果
1. 技術路線：
設計如圖1所示的具有四分之一波長饋線的方形貼片天線。利用CST軟件仿真其輻射性能。
圖1. 微帶矩形貼片天線
利用在貼片上加載類雪花狀的花紋結構，且在接地板上刻槽，通過改變貼片上的電流分布、增加接地板等效電感，實現超寬帶輻射。同時，天線尺寸保持不變。具體天線結構如圖2所示。最后，對結構進行加工和測試，在微波暗室中利用矢量網絡分析儀、喇叭天線和轉臺等測試天線特征參數。
圖2. 超材料加載的貼片天線
2. 擬解決的問題
（1）如何通過理論分析構成合理超材料單元來提高天線輻射能力是本項目要解決的關鍵問題之一；
（2）如何對超材料結構進行共形設計是本項目要解決的另一關鍵問題。
3. 預期成果
（1）通過超材料加載實現天線的小型化和寬帶化；
（2）發(fā)表論文一篇。
（七） 項目研究進度安排
2019.04-2020.04
設計出特定頻段下性能達標的普通貼片天線；
設計超材料加載的貼片天線，研究超材料結構各部分尺寸對天線帶寬、增益、方向性等參數的影響。
2020.04-2021.04
熟悉天線測試儀器，對天線進行加工、測試。
（八） 已有基礎
1. 與本項目有關的研究積累和已取得的成績
項目組成員已掌握基本的電路分析、數值計算和電磁場有關理論；能夠使用AutoCAD進行工程制圖；了解CST和HFSS兩種專業(yè)天線仿真軟件的操作流程。在前期的研究中，已經熟悉了常見微帶天線的基本原理，熟悉其輻射特性。
在前期工作中，研究了多孔透鏡超材料對天線輻射場分布的影響。如圖3所示，將弧形介質板打上非均勻空氣孔，這樣可改變介質的等效介電常數，實現波形變換。由圖4可知，這種結構能夠突出局部增益，可將增益往對稱軸中間集中。
圖3. 多孔透鏡超材料天線
圖4.多孔透鏡天線方向圖
2. 已具備的條件，尚缺少的條件及解決方法
項目依托單位具有HFSS、CST、Matlab等可用于天線設計的軟件，為了微帶天線和超材料的仿真提供了平臺。但依托單位不具備天線測試環(huán)境。鑒于學院與國防科技大學/湖南大學的良好合作關系，可通過外協(xié)方式到兩校有關系所進行天線測量。
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