基于非均勻特異媒質的賦形天線設計

方福衣　陳星

摘 要： 在PCB板表面蝕刻不同尺寸的微帶單元結構，構建非均勻特異媒質層，并將其放置在天線輻射單元前方，利用非均勻特異媒質層對電磁波不同的反射系數，實現對天線輻射波束的賦形。設計了由不同尺寸正方形貼片組成的非均勻特異媒質層，并放置于工作頻率為5.8 GHz的矩形貼片天線前方。仿真和測試表明：該非均勻特異媒質層能夠在基本保持貼片天線工作頻點和回波損耗曲線不變條件下，通過調整與貼片天線距離，實現輻射波束由筆形波束向寬角波束和馬鞍形波束的賦形轉換。為賦形天線設計提供了一種有效的新方法。

關鍵詞： 特異媒質； 寬角賦形天線； 馬鞍形賦形天線； 回波損耗

中圖分類號： TN820.1?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）11?0096?05

Abstract： The non?uniform metamaterial layers are built by engraving microstrip units with different size on the surface of PCBs. Through placing a proposed metamaterial layer in front an antenna and making use of the spatial varying reflection coefficient of the non?uniform metamaterial layer for the electromagnetic wave， the radiation pattern of the antenna can be shaped. In this paper， a proposed layer consisted of square patches with different size is designed and then placed in front of a rectangular patch antenna working at a frequency of 5.8 GHz. Both simulation and measurement show that the non?uniform metamaterial layer is able to realize the conversion of the antennas radiation pattern from a pencil? shaped beam to a wide beam pattern or a saddle?shaped beam， through adjusting the distance between the patch antenna and the metamaterial layer， while the antennas working frequency and return loss curve almost remain unchanged. The research result provided a new method for the design of the shaped beam antenna.

Keywords： metamaterial； wide shaped beam antenna； saddle?shaped antenna； return loss

0 引 言

隨著無線通信、雷達和遙感遙測等科技的發展，對天線的性能要求越來越高，許多應用領域要求對天線波束進行賦形，即賦形天線[1]。衛星通信、通信基站、雷達、遙感遙測、飛行器通信等領域都廣泛應用著各種賦形天線。例如，寬角波束賦形天線，其輻射方向圖的主瓣空間角大，可以實現大范圍的波束信號覆蓋，飛行器遙控系統天線，我國的北斗雙星定位系統天線，美國的GPS系統天線均需要使用這種寬角波束天線[2]。在衛星對地通信、空對地雷達搜索等應用中，考慮到地球表面的曲線影響，天線主波束邊緣和中央軸向與地面之間有較大距離差，馬鞍形波束賦形天線能夠補償到地面的距離不同引起的損耗差異[3?4]，實現整個主波束對地面的均勻電磁照射。

傳統的賦形天線設計方法一般可以分為：反射面賦形[5]和陣列賦形[6]。反射面賦形，通過加載反射面，對饋源發出的電磁波進行反射疊加在遠場形成合適的方向圖，反射面賦形可以是多饋源元天線，也可以是單饋源的天線。多饋源反射面賦形，一方面可以通調節饋源激勵幅度和激勵相位，另一方面還可以調節反射板的形狀、大小、放置位置來對天線方向圖進行賦形，這樣大大增加了賦形的靈活度，能夠完成對復雜方向圖的賦形。但天線系統的大量開銷將花費在設計和調整波束形成網絡上，并且復雜的波束形成網絡會引起射頻損耗降低天線系統的增益[7]。單饋源反射面賦形克服了多饋源賦形損耗大的缺點，結構也相對簡單，但是賦形能力有限[8]。陣列賦形屬于陣列天線方向圖綜合的范疇，是利用饋電功分網絡，通過調整陣元的激勵幅度，激勵相位，或者調整陣元之間的間隙來改變天線輻射方向圖。傳統的陣列賦形方法例如：切比雪夫多項式法，傅里葉變換法，泰勒法，伍德沃德法，這些方法很難完成對復雜方向圖的綜合[9]。賦形饋電網絡射頻損耗也比較大，綜合時候未考慮單元之間的互耦，精度相對較低。但與反射器賦形天線，因為不需要放置反射板，因而結構輕巧，便于安裝和使用。

特異媒質（Metamaterials）是指具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工復合結構或復合材料，它具有任意的（甚至是負數）的介電常數和磁導率[10]。例如具有負介電常數和負磁導率的左手材料，還有頻率選擇表面（Frequency Selective Surface， FSS）、高阻表面（High Impedance Surface）等。特異媒質的獨特電磁特異已廣泛應用于天線設計中，例如提高天線增益[11?13]、拓展天線帶寬[14?16]等。

本文研究將特異媒質應用于賦形天線的設計，采用在PCB板表面蝕刻微帶單元結構來構建特異媒質層，并放置在天線前方，在保持天線阻抗匹配特性基本不變的條件下實現天線波束的賦形。但迥異于通常的特異媒質采用周期性單元結構，本文中特異媒質層中微帶單元具有不同尺寸，為非均勻單元結構。利用非均勻單元對電磁波不同的反射系數實現波束賦形，通過調節特異媒質層和輻射天線之間距離，一種非均勻特異媒質層能夠實現寬角波束和馬鞍形波束等不同賦形。

1 賦形天線設計

1.1 微帶貼片天線設計

圖1（a）所示的矩形貼片天線采用同軸頂饋的饋電方式，工作頻點為5.8 GHz，制作在介電常數為2.65，尺寸為[W]=[L]=82 mm和厚度[h]=1 mm的PCB板上。該天線其他結構參數為：[Lx]=21 mm，[Ly]=15 mm，[d]=4.2 mm。圖1（b）為該天線的加工實物圖。

圖2和圖3為該貼片天線的CST軟件仿真和實驗測試的回波損耗曲線和5.8 GHz方向圖，可以看出仿真和測試吻合良好，該天線方向圖為典型的貼片天線所具有的筆形波束。

1.2 非均勻特異媒質設計

賦形天線是在以上設計的微帶貼片天線的基礎上，通過加載非均勻特異媒質層來達到賦形的作用，在天線的工作頻點基本不偏移和[S11]不惡化的前提下，實現筆形波束向寬角波束和馬鞍形波束的賦形轉變。

如圖4（a）所示，非均勻特異媒質層是在PCB板上印刷不同大小矩形金屬貼片構建而成，特異媒質層與矩形貼片天線之間為空氣層，兩層之間間距為[dis，]采用聚四氟乙烯柱進行支撐和隔離。特異媒質層PCB介質基板介電常數為2.65，厚度為0.5 mm。本文設計的特異媒質層由四種大小不一的單元，命名為：[A1，][A2，][A3，][A4。]這些單元按照一定規律排列組成：在[x]和[y]軸方向，即[A1，][A2，][A3]單元正方形金屬貼片邊長分別為[L1]、[L2]、[L3]，與相鄰單元貼片的中心距離為[d1]，其他方向四個貼片，即[A4]距離中心貼片即[A1]單元的距離為[d2]，邊長為[L4。]其中[L2=rL1，][L3=rL2，][L4=2rL1，][d2=2d1，][r]為比例因子。特異媒質層的結構參數值為：[L1]=4 mm，[d1]=14 mm，[r]=1.2。圖4（b）為安裝了非均勻特異媒質層的賦形天線照片。

1.3 寬角波束賦形天線設計

當貼片天線和特異媒質層的距離[dis]=7.3 mm時，該天線呈現為一種寬角波束賦形天線。圖5和圖6對比了加載和未加載特異媒質層的天線[S11]實測曲線和實測輻射方向圖。可以清楚地看出，加載特異媒質層后，天線工作頻點和[S11]曲線變化很小，基本保持不變。而天線方向圖變化明顯，天線增益由7.2 dBi下降為6.2 dBi，天線的波束半功率角顯著加寬，E面半功率角達到了139°，比未加載特異媒質層的貼片天線提高了37°，H面半功率角達到了140°，提高了62°，天線方向圖由未加載前的筆形波束賦形為寬角波束。

1.4 馬鞍形波束賦形天線設計

當貼片天線和特異媒質層的距離[dis]=15 mm時，該天線呈現為一種馬鞍形波束賦形天線，這可以從圖7和圖8的天線[S11]曲線和方向圖的實測數據中清楚地看出。對馬鞍形波束賦形天線，天線工作頻點（5.8 GHz）和[S11]曲線仍基本保持不變，而天線方向圖形狀為中央軸向增益低（-2 dBi），主波束邊緣增益高（6.9 dBi），最大增益出現在[±45°]方向上，為明顯的馬鞍形狀。

2 分 析

本文構造的非均勻特異媒質層上有4種大小不一致的單元，如圖4（a）所示，分別命名為[A1，][A2，][A3，][A4。]利用電磁仿真軟件和波導法[17]能夠計算得到這些單元的反射系數，見表1。可以看到，非均勻特異媒質層上4種單元對電磁波有不一樣的反射系數。

利用特異媒質層來設計寬角賦形天線和馬鞍形賦形天線，它們的實現方式是相似的：既要消減矩形貼片天線主輻射方向的增益，又要填補四周輻射方向上較小的增益。其原理可以利用非均勻特異媒質層上單元對電磁波的不同反射系數，改變天線電磁近場分布，進而改變天線的遠場方向圖。由于特異媒質層對天線近場的影響與特異媒質層和輻射天線之間距離有關，因此可以利用同一特異媒質層，通過調節距離值實現這兩種賦形效果。圖9的仿真結果可以清楚地看到特異媒質層造成天線近場（電場強度分布）的明顯變化，中央軸向上的輻射場強被減弱，而對應原筆狀波束邊緣方向上的輻射場強被明顯地加強。

3 結 語

賦形天線是一類在諸多領域應用廣泛的天線類型，本文提出了一種新的賦形天線設計方法：設計微帶結構的非均勻特異媒質層，加載在天線前方，利用特異媒質層中大小不同單元對電磁波不同的反射系數，改變輻射天線的近場分布，進而改變天線遠場方向圖，實現波束賦形。作為典型例，本文設計了由大小不同的正方形貼片組成的非均勻特異媒質層，并成功地實現了對一種矩形貼片天線的波束賦形，將矩形貼片天線的筆形波束賦形為寬角波束和馬鞍形波束。

值得指出的是，仿真計算和實驗測試都表明，本文設計的非均勻特異媒質層能夠在基本不影響矩形貼片的工作頻點和回波損耗曲線的前提下實現波束賦形，并且可以通過簡單地調整特異媒質層與貼片天線之間距離來實現寬角和馬鞍形兩種不同的波束賦形。該賦形能力是傳統賦形天線設計方法不具備，因此本文提出的賦形天線設計新方法不僅具有新穎性，同時有強大的賦形天線設計能力，在賦形天線的工程設計中具有廣闊的推廣應用前景。

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