加載零折射率電磁超材料的高增益透明玻璃天線

王蒙軍 ,吳 迪 ,孔丹丹 ,馬曉宇 ,李艷祿

(1.河北工業大學 電子信息工程學院,天津 300401;2.電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室,天津 300401;3.宏啟勝精密電子(秦皇島)有限公司,河北 秦皇島 066300)

汽車在萬物互聯中發揮著越來越重要的作用,經過不斷地發展,出現了車聯網“新四化”——電動化、網聯化、智能化和共享化。天線是“四化”進程中不可或缺的無線通信器件,目前的車載天線大多采取外置形式[1],但汽車的空間資源有限,為滿足更多天線的放置需求,以車窗玻璃為基板,研究人員設計出經濟美觀的透明天線來解決當下問題。早期的透明車載天線主要通過擋風玻璃層壓工藝,將金屬導線嵌入聚酯膠層?；蛘吆图訜峤z結合[2-3],通過絲網工藝將金屬與粘合劑制成的特殊混合物印刷至汽車玻璃窗內。而運用了新型薄膜材料的玻璃天線[4-13]具備更高的透明度,能夠通過磁控濺射技術牢固附著在玻璃表面,將天線安裝空間擴展到車窗、天窗和鏡子等物體上,并且削弱了對收發頻段的限制,使天線形式更靈活多樣。

透明導電薄膜的成熟發展為設計與制造高透明度天線鋪平道路。按照導電薄膜的制造工藝可以分為AgHT-4/8 導電聚合物天線[4-5]、金屬網格型天線[6-7]、透明金屬氧化物天線[8-10]以及為了提升電導率衍生出的多層薄膜天線[11-12]。其中,金屬網格薄膜是由傳統金屬(通常是銅或銀)表面的孔隙組成,需要協調透光率與網格尺寸參數[11],設計流程復雜,天線的高效生產受到限制。而ITO 薄膜可以兼顧透明性、導電性和實用性,使天線具備高透明度、低阻值、低成本和良好穩定性。但是,透明導電薄膜天線的表面阻值對天線增益存在惡劣影響。近年來,專家學者紛紛提出有關透明天線增益缺陷的改進方法。從透明導電材料本身出發,2008-2016 年間研究人員通過分析天線表面電流分布,在電流聚集的貼片邊緣處增加了納米級金屬層[4,8],以提升貼片邊緣電導率,改善天線增益至5 dBi。然而,該方法使天線透明度降低至57%,視覺能觀測到明顯的黃色邊沿。從天線本身形式出發,2021 年Eltresy 等提出了透明陣列天線[11],利用天線元疊加特性[9],使得透明天線的輻射增益從2.3 dBi 提升至5 dBi。但是,天線類型特殊時其應用場景同樣會受到限制,無法作為改善透明天線增益缺陷的泛用方法。由此可見,上述方法難以兼顧透明度、輻射增益和實用性。

超材料是一種具備非自然特性的人工結構,能夠實現天然材料無法達到的負介電常數和負磁導率?；陔p負性質,研究人員利用超材料展開了許多有關天線小型化[14]、多頻化[15]、增益提升[16-19]以及方向性調控[20-21]方面的研究工作。在透明天線領域,研究人員在2018 年使用諧振環結構[16]提升透明天線增益至1.67 dBi,Cong 等在2021 年提出人工磁導體結構[19]以改善透明天線的增益缺陷,可以將5.3～6 GHz 內的方向性增益從原本的1.1 dBi 提升至5.47 dBi。

超材料結構不僅可以大幅提升透明天線的方向性增益,還可以使天線保持良好的透明性。其中,零折射率超材料(Zero Index Metamaterial,ZIM)可以調控入射電磁波和出射電磁波之間的相位關系[20],實現透明天線輻射波方向性能上的改進[21]。

針對車聯網環境下透明天線在輻射增益上的不足,基于零折射率超材料覆層的調控理論完成了一款多層透明天線的設計。天線采用相對介電常數為5.8 的鈉鈣玻璃為基板,的氧化銦錫為導電材料,結構簡單,易于集成在汽車各種玻璃窗表面,具備大于75%的透明度。仿真結果表明,本文設計的天線可工作于ISM-2.4 GHz、5G-n77/n78 以及C-V2X 頻段,-10 dB的相對帶寬最高能達到47.9%。在3.4 GHz處,該天線的輻射增益能夠提升3.23 dB。

1 基本天線結構設計與分析

車聯網的工作環境如圖1 所示,以汽車為中心,與四周各類終端進行信息交互。為了適應多方通信,便于車窗玻璃表面集成,以相對介電常數εr=5.8 的鈉鈣玻璃為基底,設計成如圖2 所示的平面天線,整體尺寸為100 mm×100 mm,氧化銦錫導電材料的具體參數如表1 所示。

表1 導電層參數Tab.1 Parameters of conductive layer

圖1 車聯網環境示意圖Fig.1 Intelligent connected vehicle environment diagram

圖2 天線結構示意圖Fig.2 Structure diagram of antenna

將矩形縫隙加載到1.1 mm 厚的ITO 導電玻璃上,并采用寬度為2.8 mm 的50 Ω 微帶線進行饋電。為了使車輛能夠收發各類無線信號,天線需要具備多頻特性,因此在矩形空隙的基礎上,左右兩邊增加兩條對稱的帶狀線來完善結構設計。使用電磁仿真軟件CST完成上述天線結構的建模、優化和分析,根據圖3(a)可知,該天線呈現出三頻特性,分別在2.4,3.43 和5.7 GHz 處諧振,其-10 dB 的相對阻抗帶寬為47.6%(1.89～3.07 GHz),18.7%(3.10～3.74 GHz)以及47.9% (4.07～6.63 GHz),能夠覆蓋5G 和C-V2X 等網聯車常用頻段。如圖3(b)所示,觀察該天線的E 面和H 面方向圖,可知在三個諧振點上的主瓣方向性增益分別為5.27,6.05 和5.97 dBi,整體呈雙向輻射狀態。

圖3 1 ITO 天線的仿真結果。(a)回波損耗;(b)2.4 GHz 方向圖;(c)3.43 GHz 方向圖;(d)5.7 GHz 方向圖Fig.3 Simulated results of 1 ITO antenna.(a) Return loss;(b) Radiation pattern at 2.4 GHz;(c) Radiation pattern at 3.43 GHz;(d) Radiation pattern at 5.7 GHz

2 ZIM 單元結構設計與分析

超材料的性質通過反演計算得出的等效電磁參數來確定。以周期形式展開的超材料單元能夠從幅度、相位和極化等角度進行電磁波調控,通過單元結構設計與幾何參數來調整等效磁導率和等效介電常數,從而影響到入射/出射超材料覆層的電磁波。

利用超材料設計透明天線能夠規避ITO 材料本身的性能限制,從結構方面克服天線表面阻值對輻射增益的惡劣影響。零折射率超材料結構通過引導入射電磁波的出射相位達到輻射能量聚集的效果。具備近零或零折射率特性的超材料結構與本構參數(εr,μr)之間有著緊密關聯,根據式(1)所示,等效電磁參數能夠調整該結構的折射率n:

無論是等效介電常數或是等效磁導率趨近于0,都會導致折射率接近于0。由于電磁波經過介質層時內部會產生相移θ,并且相移θ與折射率n、波數k以及傳播電長度d相關,如式(2)所示:

當折射率接近于0 時,相移角也會趨近于0,電磁波將會表現為近垂直出射的狀態。因此,從理論角度出發,經過ZIM 層調控的輻射波束會在特定方向上聚集,相應的波束輻射增益也會增強。

基于上述理論進行ZIM 單元結構設計,經過優化分析,在CST 軟件中得到單元大小為8 mm×8 mm 的交錯L 型方環結構,其仿真時的邊界設置如圖4 所示。同樣將的ITO 導體刻蝕在相對介電常數為5.8的玻璃基板上,分別對比ITO 導體和面阻值為0 的理想導體PEC 的散射參數仿真性能,如圖5 所示。其中,S11諧振在3.51 GHz 左右,兩導體的諧振深度相差22 dB。在S11和S21的相位表現上,PEC 在3.36～4 GHz 內的相位突變更為明顯,如圖5(a～b)所示。為了進一步確認在散射參數差異下ITO 仍具有近零折射率特性,將S11和S21通過NRW 反演法計算得到ZIM單元的等效介電常數和等效磁導率。

圖4 ZIM 單元結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of ZIM unit cell

圖5 不同導電材料下的ZIM 單元仿真結果。(a) S 參數;(b) S 參數相位值;(c) 等效介電常數;(d) 等效磁導率;(e) 折射率Fig.5 Simulated results of ZIM unit cell at different conductive materials.(a) S-parameters amplitude;(b) S-parameters phase;(c) Equivalent permittivity;(d) Equivalent permeability;(e) Refractive index

在眾多超材料電磁參數算法當中,NRW 反演法是使用最廣泛和穩定的算法之一。簡單來說,一個總體厚度為d的超材料覆層,經過散射參數計算能夠得到其等效阻抗Z和折射率n,再利用等效本構參數、波阻抗和折射率之間的關系換算,得到每個頻率采樣點下的等效介電常數和等效磁導率,具體如式(3)與式(4)所示[13]:

經過傳輸矩陣解析得到n和Z與εr和μr之間的關系,如式(5)所示:

讀取散射參數的實部和虛部,按照公式提供的參數關系進行計算,得到更為直觀和詳細的等效電磁參數相關曲線圖。如圖5(c～e)所示,PEC 下的相對介電常數εr在3.84～4.20 GHz 存在負值,μr在3.51～3.90 GHz 內具有更明顯的負磁導率特性。然而,ITO材料下ZIM 單元的等效磁導率在1～6 GHz 頻段范圍內只有2.98 GHz 處存在深度負向諧振。并且,εr在2.6～5.1 GHz 范圍內趨近于,μr在4.1～6 GHz范圍內趨近于0,最終在3.27～3.71 GHz 和4.02～6 GHz 的頻帶范圍內折射率接近0。PEC 材料的ZIM 單元折射率在3.40 GHz 處能夠完全等于0,而ITO 材料的表現不如理想導體,但是仍完全契合近零折射率特性。驗證結果說明了ITO 設計ZIM 單元的可行性,理論上能夠實現電磁波能量的聚合。最終,所設計的天線與ZIM 單元結構的尺寸參數如表2 所示。

表2 天線和ZIM 單元的結構參數Tab.2 Geometric parameters of antenna and ZIM unit cell

3 多層天線的仿真結果分析

3.1 多層結構設計

根據上述設計過程和ZIM 調控原理,使ZIM 單元以周期形式展開,和天線平行放置,將天線和超材料覆層相結合。仿真時天線與超材料覆層之間填充空氣介質,在理想環境中兩層之間的距離用HS表示。

CST 中模型層間無需任何支撐體就能獲得空氣填充下的仿真結果,但在實際生活中天線與覆層之間需要用實物支撐體進行實測。通常會使用與空氣介電常數相近的泡沫材質板進行替換或是選擇穿孔塑料釘進行固定。然而,這兩種材料都會對透明度有較大影響,并且難以適配車窗集成,使天線失去透明易集成的優勢。

為了使中間層既能支撐兩層玻璃基板,又能憑借良好的透明性實現車輛集成,還可以發揮ZIM 覆層的最佳效能,提出了一種中心80 mm×80 mm 鏤空結構的聚對苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene Terephthalate,PET)層板,相對介電常數為3.4,加載到兩層之間,形成PET-ZIM 天線。如圖6 所示,將所提出的模型放置到CST 仿真環境中,進行優化和分析。

圖6 PET-ZIM 天線結構示意圖Fig.6 Schematic diagram of PET-ZIM antenna

3.2 空心PET 下的ZIM 覆層天線

為了驗證該多層天線能夠兼顧實用性和透明性,需要進一步根據不同厚度(即不同層間距)HS下天線的參數性能變化規律進行分析。

根據圖7(a)可知,當HS在2～8 mm 之間變化時,S11參數相較于無覆層天線存在30～293 MHz 的偏移。當HS=2 mm 時,諧振頻率向低頻偏移近300 MHz,反之,HS位于8 mm 時回波損耗的偏移量減小了121 MHz。這是因為當相距越遠,天線與超材料的層間耦合越小,對無覆層天線的散射參數影響也就越輕微。所以,當空心層板從2 mm 增加到8 mm 時多層天線越趨近無覆層天線的工作頻點。當HS=5 mm 時,諧振點分別位于2.73,3.4 和5.9 GHz,能夠覆蓋5G、ISM-2.4 GHz 以及車聯網環境下的C-V2X 頻段。

圖7 不同厚度Hs 下PET-ZIM 仿真結果。(a)回波損耗;(b)輻射增益Fig.7 Simulated results of PET-ZIM antenna at different Hs.(a) Return loss;(b) Gain

在層間耦合的影響下,觀察增益隨頻率變化的仿真性能曲線。圖7(b)表示了當HS=5 mm 時,在三個諧振點下增益分別提升了1.26,3.23 以及0.98 dB。整體表現出當HS越大,輻射增益提升效果越強的趨勢。并且,3.4 GHz 工作頻點附近的增益提升效果最明顯,原因在于ZIM 單元在3.4 GHz 處展現出了更優越的近零特性,有利于電磁波輻射聚束。

不僅需要進一步驗證增益改進的效果,還要能夠指向ZIM 覆層在天線輻射波調控方面發揮的作用。如圖8所示,由PET-ZIM 天線的3D 輻射方向圖可知,ZIM覆層的加入增強了原天線雙向輻射中覆層所在位置的方向性。當遠場監視器頻點設置在3.4 GHz 時,與無覆層天線相比,主瓣上的方向性系數增加了2.2 dBi,半功率波束角HPBW 在E 面和H 面上分別減少了17.2°和27.4°。天線的輻射波束向零折射率覆層的方向呈現出集中趨勢,證明在空心PET 填充層支撐下的多層透明天線符合預期增益改善目標,保證了較高的透明度。

圖8 無覆層天線與PET-ZIM 天線的3D 輻射方向圖Fig.8 3D radiation patterns of single-layer antenna and PET-ZIM antenna at 3.4 GHz

圖9 天線實物測試圖Fig.9 Photograph of the fabricated antenna measurement

4 測量結果與分析

與傳統天線相比,透明天線選取的導電材料較為特殊,需要兼顧透明薄膜在光學和電學兩方面的性質。首先在玻璃基板上沉積一層納米級ITO,根據表面阻值來確定膜厚,再通過激光刻蝕規劃出天線圖案,天線實物與其測試系統如9 圖所示。通過SMA 頭連接天線和同軸線,并使用電校準后的矢量網絡分析儀(Agilent N5244A)測量其阻抗匹配性能。如圖10 所示,與仿真結果相比,無覆層天線實測數據的工作頻點存在向低頻偏移24～41 MHz 的現象,加載5 mm 厚度的空心PET 填充層后,對比仿真結果同樣產生13～176 MHz 的頻偏,其諧振頻率分別工作在2.66,3.31以及5.89 GHz,能夠覆蓋車聯網環境部分應用頻段,仿真與實測結果基本一致。通過使用微波暗室配合寬帶喇叭天線來測試透明天線的輻射方向圖,如圖11所示。

圖10 回波損耗實測結果。(a)無覆層天線;(b)PET-ZIM 天線Fig.10 Measured results of return loss.(a) Single-layer antenna;(b) PET-ZIM antenna

圖11 無覆層天線與PET-ZIM 天線的方向圖實測結果。(a) 2.4 GHz;(b) 3.4 GHz;(c) 5.7 GHz;(d)不同天線在3.4 GHz 處yoz 面的對比Fig.11 Measured 2D radiation patterns of single-layer antenna and PET-ZIM antenna.(a) 2.4 GHz;(b) 3.4 GHz;(c) 5.7 GHz;(d) Comparison of yoz-plane for different antennas at 3.4 GHz

由于理想環境與實際環境間的差異,在主瓣方向上輻射增益的實測結果降低了0.16～3.42 dB,總體呈現出與仿真一致的雙向輻射趨勢,如圖11(a～c)。根據圖11(d)可知,在3.40 GHz 處,加載了ZIM 覆層的天線輻射增益對比無覆層天線提升了大約2.14 dB,且主瓣方向性增強,輻射波束向ZIM 覆層方向集中。

回波損耗和方向圖產生誤差的原因有三點: 一是因為基板介電常數在仿真與實物上的差異;二是ITO導電薄膜面阻值的差異,實物的面阻值往往會高于仿真阻值;三是由于SMA 接頭與饋線連接問題,在玻璃和ITO 材料上不適用熱焊接,只能采用導電夾針法進行連接,從而造成一定的阻抗失配。

目前出現了部分聲稱可替代ITO 的透明材料,如納米級銀膜混合CNT 油墨、金屬納米結構(AgNWs)和聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT∶PSS)。從性能角度分析,該材料的電學性質表現為面阻值,同時,光學性能可以保持在80%～90%良好狀態[23]。但是,ITO的替代品材料造價浮動大,工藝不成熟,未進行普及的同時缺乏廣泛應用的潛質,在天線的設計和制造上的實用性不如金屬氧化物薄膜。

最后,與不同導電材料下諧振環[16,22]、人工磁導體結構AMC[17,19]以及零折射率[20-21]超材料天線進行對比,如表3 所示,表中NT 表示該天線不具備光透明性。針對透明天線的超材料增益提升方法,研究局限在高阻值的AgHT-8 中,而本文的低阻值ITO 多層透明天線采用了零折射率透射覆層,不僅能夠保持優良的透明性,還能夠大幅提升增益至8.25 dBi,改善了透明導電薄膜因電導率低而產生的損耗問題,甚至能夠媲美傳統金屬材料的天線增益性能。

表3 本文天線與現有超材料天線的對比Tab.3 Comparison of metamaterial antenna in existing research

5 結論

本文提出了一種多頻、易集成且增益提升的多層透明天線,通過平行加載ZIM 覆層調控天線的輻射波束,從而聚攏主方向上的輻射能量。仿真與實測結果表明,該天線可以工作在2.73,3.4 和5.9 GHz 頻率,峰值方向性系數能夠達到8.25 dBi,增益最高能夠提升3.23 dB,具備良好的透明度與實用性,克服了ITO因歐姆損耗影響到天線輻射性能的問題。PET-ZIM 天線適用于車聯網環境下的車窗集成,同時,天線所具備的多頻性滿足了智能汽車與其他交通工具、移動設備和基礎設施間的無線通信交互功能。