基于零折射率超材料的高定向性微带天线

摘   要: 研究了一种基于平面网格状零折射率超材料的高定向性微带天线。利用超材料结构的平均效应实现了在10.24 GHz处介电常数为零，进而实现了超材料的折射率为零。实验结果表明，利用零折射率超材料对波束产生汇聚作用，使微带天线的定向性明显增强，E面、H面半功率波束宽度分别收缩了56.67°和26.60°，侧向辐射明显减弱，天线的增益提高了3.80 dB。
关键词:  高定向性; 微带天线; 零折射率
       目前，由于高定向性平面天线具有剖面低、体积小、重量轻和使用电路板印刷技术制作简单等优点,正在吸引越来越多人的注意，这种高定向性微带天线可以广泛应用于微波领域，如卫星通信网络、无线电传播、汽车雷达、短距点对点通信等。与常用的如采用天线阵等方法来实现天线的高定向性相比，本文提出的这种设计方法是一种简单的馈电系统或者说简单的能量分布系统。
　随着人工电磁超材料的提出[1]，通过设计超材料的结构单元，使其对电场和磁场产生相应的谐振，从而可以方便地调控其有效介电常数和有效磁导率。基于这种思想，在微波段设计出了有效介电常数和有效磁导率同时为负的左手材料[2]，并在改善天线性能方面有其广泛应用[3-4]。
　近来，作为人工电磁超材料的另一分支，对于零折射率超材料的研究引起了广泛关注，以材料的有效介电常数和磁导率的零值为分界线，将材料划分为四个象限，通过在不同象限内构建不同的结构都可以实现零折射率。根据Snell定律(n1sinθ1=n2sinθ2)，当光线从零折射率材料(n1=0)内部入射到自由空间(n2>0)时，不论入射角θ1为多少，出射角θ2必然等于零，因此折射光线沿分界面法线方向射出，零折射率的这种特性提供了一种独特的可以用来控制波传播方向的方法。ENOCH等人[5]第一次实验证实了将辐射源嵌入零折射率基板中时，辐射的能量将被限制在一个周围介质狭小的圆锥区域内，即通过利用零折射率材料的特性，能量辐射的方向性得到了很大的改善。WU等人[6]研究了将偶极天线嵌入不同的零折射率和近零折射率材料中时，天线辐射性能的变化。
　然而，之前基于零折射率高定向性天线的研究多是将天线嵌入零折射率超材料中,设计体积大且制作复杂，本文提出了一种将网格状结构零折射率超材料置于天线上方的高定向性微带天线，CST软件全波仿真和实验测试两种方法均通过验证,与普通微带天线相比较，加载零折射率超材料后的微带天线其定向性得到了有效的增强。
1 网格状结构零折射率超材料的设计与制作
　网格状结构零折射率超材料是通过在介质板两面刻蚀金属网格状结构来实现零折射率的电磁超材料，该结构两面的金属网格要求严格对齐，图1(a)和(b)分别为网格状结构的一个单元和其整体的结构示意图，该网格状结构整体是通过将单元6×6周期排布实现，图1(c)是网格状结构的实物样品图。
   
       1996年，PENDRY等[7]提出一种降低材料有效等离子体频率的方法，通过选取合适的金属杆间距离和金属杆的半径，增加金属的有效电子质量,如公式(1)所示。