新型電磁材料微帶天線的綜述

汪大軍 ，王彥虎 ，廖永波 ，3

（1.西南石油大學 基建處，四川 成都 610000；2.電子科技大學 能源科學與工程學院，四川 成都 611731；3.電子科技大學 電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，四川 成都 611731）

0 引言

隨著各種網絡設備的應用普及和超寬帶無線通信技術的發展，人們對寬帶高增益天線有了更高的需求，主要體現在頻帶的范圍更廣，便于安裝、架設和攜帶，同時具有較高的效率和增益。微帶天線因所具有的優點，如體積小、重量輕、結構穩定、剖面低、饋電方式靈活、成本低、易與設備共形、易產生線極化波和圓極化波等，深受人們的青睞，在應用方面得到了迅速的推廣。但微帶天線由于其獨特自身結構及實現原理，有著固有的缺陷，即阻抗帶寬較窄，單片天線增益較低，這兩項缺陷成為了限制其廣泛應用的主要障礙。因此，研究如何展寬微帶天線的帶寬并提高天線增益有著十分重要的意義[1]。

新型電磁材料結構在這種背景下應運而生。新型電磁材料，又稱超材料（Metamaterial），其憑借自身特殊的結構，產生了特殊的電磁屬性，突破了傳統電磁場理論中的一些重要概念，已經逐漸成為國際物理、材料和電磁領域的研究前沿和熱點，其于2003年和2006年兩次被美國《Science》雜志評為年度十大科技突破之一，且于2011年被評為美國21世紀前十年的十大科技之一[2]。將新型電磁材料結構應用到現代天線設計中，將大大改善天線的增益、帶寬等電磁特性，極大提升常規天線的性能。

目前的天線設計方式主要依靠微波電子設計自動化(Electronic Design Automation，EDA)軟件，而綜合問題，更多的則是依賴于最優化技術。最優化問題求解的研究已經成為數學和計算機科學研究領域的重點。在實際工程設計中，許多最優化問題十分復雜，傳統的方法難以解決。因此把全局優化算法運用到參數設計中具有較高的實際應用價值[3]。

1 微帶天線的概述

Deschamps教授于1953年在研究如何將微帶傳輸線傳播的能量輻射出去時，提出了微帶天線的概念。從二十世紀70年代起，微帶天線技術迅速發展，逐漸成為了天線家族中獨立的分支。與此同時，第一個實用微帶天線也制作而成。微帶天線屬于一維小型天線，天線的長寬尺寸與波長一般來說在同一數量級，而天線的厚度僅有波長的百分之一左右[4]。

微帶天線按照貼片形狀的不同可以分為圓形貼片微帶天線、矩形貼片微帶天線、三角貼片微帶天線等；按照結構不同可以分為微帶貼片天線和微帶縫隙天線兩大類；按照工作原理不同可以分為微帶行波天線和微帶駐波天線等[4]。微帶天線主要由接地板、介質板、輻射貼片以及饋線構成，可以通過側饋電或者同軸饋電方式連接饋源。

在微帶天線發展過程中，展寬微帶天線的帶寬始終是微帶天線研究的熱點和難點。目前已有許多途徑來解決這個問題，例如采用低介電常的材料，增厚介質基片，附加寄生單元的共面結構，增加介質層數和利用寬頻帶阻抗匹配電路等，這些都可以大大展寬微帶天線的工作帶寬[5，6]。 但是，增厚介質基片的辦法會增大天線表面波，產生一些對其性能有不利影響的輻射。表面波在介質中傳播時，一部分會傳播至天線的不連續處(例如天線橫斷面)，這樣會使天線的極化純度弱化，效率降低。由于微帶天線的諧振特性可等效為一個高Q并聯諧振電路，所以展寬微帶天線的基本途徑可以通過尋找降低等效諧振電路的Q值來實現，能夠實現目的途徑包括：修改等效電路、附加阻抗匹配網絡[7]。常用的方法包括選擇合適的基片、階梯形基片、合適的貼片形狀、合適的饋電技術、多層結構[8]、在貼片或接地板“開窗”、多模技術以 及 加 載 等[9，10]。

2 新型電磁材料的應用

新型電磁材料統稱為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[11]。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[12-14]。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[15]等。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[16-18]。

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[19]，如圖1所示。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 (Metal Electromagnetic Bandgap，MEBG)構成，該陣列起到部分反射表面(Partially Reflective surface，PRS)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%[20]，如圖2所示。

圖1 三種AMC單元的形狀示意圖

圖2 天線結構和AMC單元示意圖

Gonzalo利用基底打孔電磁帶隙(Electro-magnetic Bandgap，EBG)結構(如圖 3所示)，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，如圖4所示，具有易于制作、抑制所有沿徑向傳播的表面波的優點，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(Uniplanar Compact Photonic Bandgap，UC-PBG)結構用于縫隙耦合饋電貼片天線，如圖5所示，成功抑制了表面波，使得天線的邊射增益提高了3 dB[21]。

圖3 基底打孔EBG結構

圖4 對稱EBG結構

圖5 UC-PBG結構

Hosseinipanah等人在原來傳統AMC結構介質基板上，添加了第二層頻率選擇表面(Frequency selective surface，FSS)結構，構成雙層 AMC(2L-AMC)結構，如圖 6 所示，將傳統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化提供了更多的可調節參數，更加有利于天線的精細化調節[22]。

圖6 新型2L-AMC結構域傳統單層AMC結構對比示意圖

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[23]。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[24]。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。

3 優化算法在天線設計中的應用

在天線的實際研究和工程設計中，存在許多最優化問題，其中有些參數分析問題非常復雜，給研究和工程設計帶來了巨大的困難。比如，在天線設計中最優化問題的函數往往是非線性、不可微分以及多參數的，這使得實現最優性能的參數和結構的選擇變得十分困難[25]。在工程設計中，分析和綜合是相輔相成的。工程的分析主要依賴于計算電磁學或者微波電子設計自動化(Electronic Design Automatic，EDA)輔助工具軟件[26-28]。而綜合問題，則更多的依賴于最優化算法。多數EDA軟件中均包含了常規優化算法和全局優化算法，這些算法具有靈活性高，不容易陷入局部最優等優點，能夠有效地進行全局搜索，所以應用優化算法來對天線進行多目標的優化設計具有很好的發展前景[3]。

Junho Yeo等研究人員提出了一種使用遺傳算法來對多頻天線介質地板進行優化的方法，其將天線介質地板反射系數的幅值和相位作為優化目標，在損失了一定帶寬的基礎上，得到了0°反射相位，提升了介質地板的性能[29]，如圖7所示。楊帆等人將遺傳算法引入到天線設計中進行參數優化，討論了優化中的一些基本問題，如基因串的定義、遺傳算法與矩量法的結合、適應度函數的設計以及控制參數的選擇等，選擇饋電點和貼片形狀為敏感參數進行優化，得出了不同形狀的微帶天線，如圖 8所示，分別具備了寬帶和雙頻的特點[30]。這種使用遺傳算法來進行天線設計優化的方法克服了以往微帶天線參數研究工作量大、參數和結構選擇具有一定盲目性的缺點，加速了天線設計周期，驗證了遺傳算法在微帶天線優化設計中的有效性及優越性。

圖7 使用遺傳算法優化得出的AMC結構示意圖

圖8 使用遺傳算法得出的寬帶和雙頻天線貼片形狀示意圖

同時，有研究人員對多種全局優化算法進行分析，使用遺傳算法[31]、微分進化策略、田口算法以及高效全局優化算法(Efficient Global Optimization，EGO)等對天線進行實際參數研究，分析了各種算法的異同點[3]，為后續研究提供算法理論基礎，便于研究人員借鑒參考。因此，在實際優化應用中，應根據具體的問題，結合優化算法的自身優勢來選擇合適的算法，以便最大限度提升優化效率，得到全局最優解，實現天線的最優化設計。

4 結論

綜上所述，新型電磁材料結構由于其優異的電磁性能，為高性能微帶天線的設計提供了新的研究方向。研究人員以微帶天線貼片和介質基板為研究重點，對多種平面一維和二維電磁帶隙結構進行建模仿真，構建新型電磁材料結構，在提高天線性能方面取得了很大的進展[32]。同時，在天線設計過程中，將優化算法應用到新型電磁材料結構的參數研究上，大幅提升天線設計效率，能夠快速有效地實現高性能微帶天線的設計。

縱觀新型電磁材料及相關優化算法在天線設計中的應用，可以預計：

(1)新型電磁材料在天線設計中的應用將會越來越普遍。

得益于理論學者對相關模型的進一步分析研究，新型電磁材料結構的理論模型將會越來越清晰，由于其獨特的電磁特性，其在高增益寬帶寬微帶天線設計中將會得到越來越廣泛的應用研究。

(2)新型電磁材料的結構將會越來越多樣化。

目前新型電磁材料的建模多集中于簡單一維二維結構，得益于相關建模仿真工具以及生產工藝的發展，復雜一維二維或者三維形式的新型電磁材料結構將會變得越來越普遍，其所具備的更多的可調節的參數將使得天線的設計更趨于精細化。

(3)優化算法在天線設計中的應用將會更加普遍化和多樣化。

新型電磁材料的引入，使得天線設計有了更多的參數需要進行調節和匹配，這使得參數研究的難度和復雜度急劇提升。依靠EDA軟件的參數掃描功能進行天線設計必然會花費較多的時間，并且由于參數掃描所具有的盲目性，難以快速有效地實現高性能天線的設計。優化算法由于其具備良好的全局搜索能力，能快速穩定地尋找到實現最優天線性能的參數和結構，能有效設計高性能天線，同時大幅縮短天線設計周期。對于天線設計中的復雜目標優化，單一算法可能會受自身特點的制約，難以快速有效地實現，所以多種算法的聯合優化也會逐漸出現在天線設計當中。

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