基于超材料的寬帶高增益低雷達散射截面天線

劉 濤 曹祥玉 高 軍 楊 群 李文強

(空軍工程大學電訊工程學院，陜西 西安 710077)

引 言

微帶貼片天線是最常用的印刷天線之一，它具有剖面低、結構簡單、成本低和易共形的優點。然而此類天線卻有一個顯著缺點就是帶寬窄。增加帶寬的常用方法之一就是增加介質基底的厚度，同時介電常數要小，但厚度增加會導致較大的表面波和寄生輻射，使增益降低。超材料(metamaterial)的出現為克服傳統天線缺點，設計新型天線提供了新的技術手段。基于metamaterial的微帶貼片天線具體應用形式主要有以下四類：1) metamaterial激勵型天線。這種天線的工作機理是將metamaterial設計作為天線的一部份，metamaterial結構在天線系統中起到了輻射作用，可以有效改善原始天線的性能，比如增大工作帶寬[1-3]、提高天線的效率[4]、天線小型化等[5]。2)天線基板中全部或部分加載metamaterial。利用metamaterial的電磁帶隙特性，抑制基板中的表面波，從而減小天線的后向輻射，提高前向增益[6]；應用在陣列天線中，將有效抑制天線單元之間的互耦[7]；如果是利用metamaterial(電負媒質、磁負媒質以及雙負媒質等)作為天線基板，可以構成亞波長諧振腔，進而構造出亞波長天線，實現天線的小型化，在保證輻射效率不變的前提下也具有較高的增益[8-10]。3)metamaterial覆層型天線。這種加載方式主要是利用metamaterial的零折射原理來實現天線的高增益、窄波束特性[11-12]。4)metamaterial低雷達散射界面(RCS)天線。利用metamaterial的帶阻特性做天線基底，則帶外電磁波能夠透射過去進而減縮天線RCS[13]；利用metamaterial的同向反射特性制造超薄吸波材料，放置在天線口徑周圍可有效吸收入射電磁波，降低RCS[14-15]。

文獻[16]通過在天線貼片和接地面上蝕刻平面metamaterial圖案提出了一種新穎的寬帶高增益貼片天線，但其采用的metamaterial結構是一種窄帶高損耗結構，對天線帶寬擴展有一定的限制。文獻[17]提出了一種基于三角諧振單元的寬帶低損耗metamaterial單元結構。本文利用文獻[17]結構代替文獻[16]結構，天線帶寬得到了進一步展寬，帶寬內增益值變化較小，實驗結果與仿真結果取得了較好的一致性。

1.天線設計與分析

本文提出天線結構及其具體尺寸如圖1(a)和(b)，在天線貼片上蝕刻周期CTER圖案，接地面上蝕刻周期條形縫隙，為了使新天線和初始天線在饋電輸入能量上保持一致，在饋電微帶線下方和周圍沒有蝕刻圖案。與文獻[16]相比，天線貼片和接地面結構尺寸相同，差別在于貼片圖案調整為文獻[17]中左手單元結構(TER)的互補結構CTER，同時根據現有的加工材料規格，介質基底雖仍采用羅杰斯5880，εr=2.2，但厚度由文獻[16]中0.794 mm微調為0.78 mm.CTER單元結構如圖1(c)，具體尺寸為等腰直角三角形直角邊邊長a=2.5 mm，斜邊開口左邊線長(右邊線長與其相等)b=1.52 mm，兩個三角環間距d=0.2 mm.開口寬度g=0.5 mm，中間金屬線寬度t=0.2 mm，三角形線寬w=0.2 mm.文獻[17]已證明該結構尺寸TER單元的左手特性，因此，這里不再討論。

(a) 天線貼片 (b) 接地面

(c) CTER單元圖1 CTER單元結構及貼片天線的結構

分析新天線結構可以看到：天線貼片上CTER單元圖案和接地面條形縫隙圖案分別是文獻[17]左手單元結構(TER)和金屬條(SWs)的互補結構。根據文獻[18]提出的巴比涅互補原理在metamaterial設計中的應用，CTER和條形縫隙恰好構成一個具有左手特性的耦合電容電感電路。相比文獻[16]貼片圖案結構，本文結構對介質基底的等效媒質參數產生了更為強烈的影響。

2.仿真與實驗

使用有限元仿真軟件HFSS10.0對初始天線和新天線進行了仿真分析，新天線地面縫隙尺寸分別取0.3 mm和0.4 mm.仿真的新天線和初始天線的回波損耗S11結果如圖2.由仿真結果可以看到(括號中為文獻[16]仿真結果)：初始天線的-10 dB工作帶寬是7.56～7.78 GHz(7.1～7.3 GHz)，諧振中心頻率7.67 GHz(7.2 GHz)，絕對帶寬0.22 MHz(0.2 MHz)，相對帶寬2.9%(2.8%)。當接地面縫隙寬度為0.4 mm時，-10 dB工作頻帶為4.62～9.02 GHz(5.3～8.5GHz)，諧振中心頻率6.82 GHz(6.9 GHz)，絕對帶寬4.4 GHz(3.2 GHz)，是初始天線帶寬的20倍(16倍)，相對帶寬64.5%(46.4%)。當縫隙寬度為0.3 mm時，-10 dB工作頻帶4.66～8.78 GHz(5.7～8.6 GHz)，諧振中心頻率6.72 GHz(7.15 GHz)，絕對帶寬4.12 GHz(2. 9GHz)，是初始天線的18.7倍(14.5倍)，相對帶寬61.3%(40.6%)。可以看到：本文提出天線絕對帶寬在兩種情況下都顯著大于文獻[16]的結果。由于介質基底厚度和仿真模型的稍微差別，初始天線中心頻率相差了470 MHz.

圖2 回波損耗仿真結果

為了證實仿真分析結果，加工了新天線和初始天線，新天線照片如圖3，并用Agilent N5230C矢量網絡分析儀測試了天線回波損耗S11和駐波比(VSWR)，測試結果分別如圖4和5，和仿真結果相比，二者-10 dB工作帶寬基本一致。VSWR值大部分都在2.0以下，低的VSWR值表明新天線輻射效率較高，損耗較小。

圖3 加工的天線照片

圖4 回波損耗測試結果

圖5 仿真和測試的駐波

由于左手傳輸特性，新天線最大輻射方向在水平方向而不是傳統貼片天線的垂直方向。為了證實天線的這一特性，在工作帶寬內隨機選取了兩個頻率6.6 GHz和7.7 GHz，給出了其3維和2維輻射方向圖，如圖6和圖7.從方向圖可以看到：天線輻射能量主要集中在水平x方向，在y方向也有較強的輻射，而且在兩個方向交叉極化也得到較好的抑制。利用天線的這一輻射特性可以傳輸兩路正交信號，在某些情況下該天線能夠得到應用。

蝕刻metamaterial結構后，天線最顯著特點之一就是帶寬的展寬。一般微帶天線帶寬展寬伴隨天線增益的降低，但本結構形式的天線增益在整個帶寬內仍保持了較高的增益。圖8給出了接地面縫隙寬度0.4 mm時天線在整個工作頻帶內的增益計算值，可以看到：天線增益一般都在5 dB以上，最大增益7.5 dB.相比文獻[16]的天線增益，新天線在整個帶寬內增益變化幅度較小，最大增益也稍微增大。分析認為，這是由于新天線采用的CTER結構有更大的左手特性帶寬和更低的損耗引起的。

(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-平面圖7 3維方向圖

圖8 接地面縫隙寬度0.4 mm時天線增益

利用平面波照射觀察了新天線兩個鼻錐方向的RCS，并與初始天線進行了比較，如圖9，可以看到：在工作帶寬內，新天線在x和y兩個輻射方向RCS都有5 dB以上的減縮，最大減縮22 dB.

圖9 天線鼻錐方向RCS比較

3. 結 論

自從metamaterial概念出現以來，天線工程人員就一直努力嘗試在實際工程中應用metamaterial以設計新穎的天線。文獻[16]提出的新天線具有很好的工程應用價值，本文利用具有寬帶低耗特點的metamaterial結構代替文獻[16]中窄帶高損耗metamaterial結構，天線帶寬由3.2 GHz展寬到4.4 GHz(相對帶寬由46.4%展寬到64.5%)，天線最大增益有所提高，在工作帶寬內天線鼻錐方向RCS得到了有效減縮。

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