（一） 項(xiàng)目簡(jiǎn)介
為了拓寬微帶貼片天線的工作帶寬、減小天線體積，擬對(duì)天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行超材料加載。通過(guò)合理設(shè)計(jì)超材料單元來(lái)改變天線電流分布，以期實(shí)現(xiàn)天線的帶寬化和小型化。
（二） 研究目的
針對(duì)微帶貼片天線輻射頻帶較窄的現(xiàn)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(shí)現(xiàn)天線的寬帶化和小型化。
（三） 研究?jī)?nèi)容
設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)尺寸對(duì)天線輻射頻帶、增益、方向性等特性的影響；分析仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果間存在差異的主要原因。
（四） 國(guó)、內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)
微帶天線具有體積小、剖面低、制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、便于共形等特點(diǎn)，在很多領(lǐng)域比如無(wú)線通信、雷達(dá)、衛(wèi)星導(dǎo)航等方面得到了廣泛的應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的微帶天線頻帶較窄，并不能滿足日益增長(zhǎng)的應(yīng)用需求，近來(lái)超材料和人工電磁結(jié)構(gòu)的興起，為天線設(shè)計(jì)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(gè)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(guò)人為的方式，構(gòu)造出不同的介質(zhì)基板結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)特定的電磁功能，在電磁領(lǐng)域表現(xiàn)出一些在自然界 中不存在的現(xiàn)象，如頻率禁帶、負(fù)折射率等[3-5]。當(dāng)把它們應(yīng)用于天線設(shè)計(jì)領(lǐng)域中時(shí)，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(xiàn)，為克服當(dāng)前在天線設(shè)計(jì)領(lǐng)域遇到的一些技術(shù)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(dú)特電磁特性使其成為電磁領(lǐng)域一個(gè)研究熱點(diǎn)，其中尤以人工磁導(dǎo)體(Artificial Magnetic Conductor，AMC)的研究和應(yīng)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(dǎo)體(Perfect Electric Conductor，PEC)接地表面時(shí)的不 匹配現(xiàn)象，進(jìn)而引入三種不同的 AMC 結(jié)構(gòu)接地板來(lái)使得該天線達(dá)到匹配，并顯著增強(qiáng)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(yīng)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(zhì)層陣列構(gòu)成，該陣列起到部分反射表面的作用，同時(shí)使用微帶天線來(lái)作為諧振腔的饋源，使用AMC接地板替代 PEC 接地板實(shí)現(xiàn)了將 天線的剖面降低 50%[11]。
Gonzalo 利用基底打孔電磁帶隙結(jié)構(gòu),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(duì)稱 EBG 結(jié)構(gòu)，具有易于制作、抑制所有沿徑向傳播的表面波的 優(yōu)點(diǎn)，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(jié)構(gòu)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(lái)傳統(tǒng) AMC 結(jié)構(gòu)介質(zhì)基板 上，添加了第二層頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，構(gòu)成雙層 AMC(2L-AMC)結(jié)構(gòu),將傳統(tǒng) AMC 結(jié)構(gòu)中使用的單層厚介質(zhì)基板使用兩層薄介質(zhì)基板來(lái)替代，在同等基板厚度下達(dá)到同樣的性能。最重要的是，這樣的雙層薄介質(zhì)結(jié)構(gòu)消除了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中單層厚介質(zhì)基板價(jià)格昂貴且難以制得的影響，同時(shí)為天線的性能優(yōu)化提供了更多的可調(diào)節(jié)參數(shù)，更加有利于天線的精細(xì)化調(diào)節(jié)[13]。
通過(guò)使用 AMC結(jié)構(gòu)來(lái)合理設(shè)計(jì)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(chǎn)生電諧振和磁諧振， 等效于構(gòu)造了具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的介 質(zhì)，從而構(gòu)成了一種基于新型電磁材料的微帶天線，實(shí)現(xiàn)了一般天線所不能達(dá)到的性能[14]。通過(guò)對(duì)以上文獻(xiàn)內(nèi) 容分析綜合，可以看出，仿真和測(cè)試結(jié)果均表明使用新型電磁材料結(jié)構(gòu)所設(shè)計(jì)的天線帶寬得到了極大提升，同時(shí)，在整個(gè)帶寬范圍內(nèi)也保持了較高的增益[15]。
武警工程大學(xué)天線研究人員通過(guò)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(shè)計(jì)了3.67GHz-14.17GHz的小型化高增益微帶天線[16]。中北大學(xué)張敏等人通過(guò)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(shè)計(jì)了寬頻帶定向微帶貼片天線[17]。
文獻(xiàn)[18]提出了基于支節(jié)加載的人工 磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)并應(yīng)用于 微帶天線中，通過(guò)合理優(yōu)化各單元加載支節(jié) 的非周期分布來(lái)改善天線口徑場(chǎng)。由于AMC結(jié)構(gòu)在E 面的尺寸對(duì)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(jié)構(gòu)類似，該SLAMC結(jié)構(gòu) 也可以等效為一個(gè)并聯(lián)的 LC 諧振回路，可以看作是表面貼片結(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(zhǎng)度L的增加，電容Ci的數(shù)值 逐漸增大，且呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。所以，支節(jié)長(zhǎng)度L對(duì)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。加載優(yōu)化后 的非周期 SLAMC 結(jié)構(gòu)，使得天線的近場(chǎng)電場(chǎng)強(qiáng)度明 顯增強(qiáng)，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(guò)了12 dBi，口徑效率為 83.3%。
文獻(xiàn)[19]中將多個(gè)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)縫隙饋電，實(shí)現(xiàn)了60 GHz寬帶高效率的平面天線設(shè)計(jì)。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(duì)應(yīng)。當(dāng)工作在較高或較低頻率時(shí)，天線尺寸都會(huì)面臨較大或較小等問(wèn)題而 難以設(shè)計(jì)。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(gè)數(shù)相關(guān)，很容易實(shí)現(xiàn)高效 率的電大或電小天線。
文獻(xiàn)[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(gè)周期排布的高阻抗表面。由于HIS 具有遠(yuǎn)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，使偶極子天線在低剖面時(shí)仍能實(shí)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(gè)波長(zhǎng)以內(nèi)，比較適合用于高效率的 平面天線設(shè)計(jì)。
由此可見(jiàn)，這種將新型電磁材料應(yīng)用到天線中的設(shè)計(jì)方法具有非常廣闊的研究前景。
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（五） 創(chuàng)新點(diǎn)與項(xiàng)目特色
1.超材料是當(dāng)前電磁學(xué)的研究熱點(diǎn)，將超材料技術(shù)引入到天線設(shè)計(jì)中，對(duì)超材料和天線的發(fā)展均有促進(jìn)作用；
2.實(shí)現(xiàn)小型化和寬帶化一直是天線設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，利用超材料加載來(lái)提高天線性能是一種有效手段。
（六） 技術(shù)路線、擬解決的問(wèn)題及預(yù)期成果
1. 技術(shù)路線：
設(shè)計(jì)如圖1所示的具有四分之一波長(zhǎng)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(jié)構(gòu)，且在接地板上刻槽，通過(guò)改變貼片上的電流分布、增加接地板等效電感，實(shí)現(xiàn)超寬帶輻射。同時(shí)，天線尺寸保持不變。具體天線結(jié)構(gòu)如圖2所示。最后，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工和測(cè)試，在微波暗室中利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、喇叭天線和轉(zhuǎn)臺(tái)等測(cè)試天線特征參數(shù)。
圖2. 超材料加載的貼片天線
2. 擬解決的問(wèn)題
（1）如何通過(guò)理論分析構(gòu)成合理超材料單元來(lái)提高天線輻射能力是本項(xiàng)目要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一；
（2）如何對(duì)超材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行共形設(shè)計(jì)是本項(xiàng)目要解決的另一關(guān)鍵問(wèn)題。
3. 預(yù)期成果
（1）通過(guò)超材料加載實(shí)現(xiàn)天線的小型化和寬帶化；
（2）發(fā)表論文一篇。
（七） 項(xiàng)目研究進(jìn)度安排
2019.04-2020.04
設(shè)計(jì)出特定頻段下性能達(dá)標(biāo)的普通貼片天線；
設(shè)計(jì)超材料加載的貼片天線，研究超材料結(jié)構(gòu)各部分尺寸對(duì)天線帶寬、增益、方向性等參數(shù)的影響。
2020.04-2021.04
熟悉天線測(cè)試儀器，對(duì)天線進(jìn)行加工、測(cè)試。
（八） 已有基礎(chǔ)
1. 與本項(xiàng)目有關(guān)的研究積累和已取得的成績(jī)
項(xiàng)目組成員已掌握基本的電路分析、數(shù)值計(jì)算和電磁場(chǎng)有關(guān)理論；能夠使用AutoCAD進(jìn)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(jīng)熟悉了常見(jiàn)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(duì)天線輻射場(chǎng)分布的影響。如圖3所示，將弧形介質(zhì)板打上非均勻空氣孔，這樣可改變介質(zhì)的等效介電常數(shù)，實(shí)現(xiàn)波形變換。由圖4可知，這種結(jié)構(gòu)能夠突出局部增益，可將增益往對(duì)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(xiàng)目依托單位具有HFSS、CST、Matlab等可用于天線設(shè)計(jì)的軟件，為了微帶天線和超材料的仿真提供了平臺(tái)。但依托單位不具備天線測(cè)試環(huán)境。鑒于學(xué)院與國(guó)防科技大學(xué)/湖南大學(xué)的良好合作關(guān)系，可通過(guò)外協(xié)方式到兩校有關(guān)系所進(jìn)行天線測(cè)量。
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