一、绪论跟着5G和物联网的连接发展，东说念主们对更高速度何况可靠的通讯链路的需求显赫提高。同期，天线作为通讯系统中的要道部件阐扬着更加要紧的作用。当代天线应该具有紧凑尺寸、低剖面和宽带宽的性格，同期辐射办法图需要具备富余的增益。近些年，大规模MIMO和波束赋形阵列等多天线时期给天线贪图带来了极大的挑战。举例阵元之间的高遁藏和波束规则才调。一般来说，天线由导体、电介质和具有特定几何姿色的其他老例材料构成。天线贪图一般顺从传统的分析顺次和警戒法例，或者行使浩大的电磁仿真软件支援参数以此取得尽可能高的...
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图1 终了负介电常数的周期摆列的金属线。人所共知，当然界不存在具有负磁导率的材料。之后，Pendry再次提议了如图2的裂环谐振结构（SRR），其在谐振频率近邻推崇出负磁导率的性格。在垂直与SRR名义外部时变磁场的激励下，在导电内环和外环上同期感应出电流，何况电荷在两环之间的间隙上积聚。此外，SRR是亚波长谐振器，典型尺寸为波长的十分之一。谐振环的等效电路公式如下：兼职学生图片
其中L是环的等效电感，C是双环之间的等效电容。图片
图2 终了负磁导率的启齿谐振环。双负超材料不错通过单负超材料（ENG和MNG）组合而成，最早由Smith等东说念主在2000年由金属线和SRR的复合结构发现，如图3所示。SRR的谐振频率被调谐低于细线的等离子体频率，从而同期终露出负介电常数和负磁导率。图片
图3 由ENG和MNG材料构成的DNG。另外一种终了DNG的顺次来自传输线（TL）表面。当忽略介质损耗和导体损耗时（越过于并联导纳和串联电阻），传统的右手传输线由串联电感和并联电容构成。当非凡引入串联电容和并联电感，蓝本右手传输线色散性格发生改换，这种类型的传输线称之为复合傍边手传输线（CRLH），如图4所示。图片
图4 复合傍边手传输线电路模子。其传播常数可由下式所得：图片
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该传输线的色散弧线如图5所示，其中PRH和PLH代表纯的右手传输线和纯左手传输线。左边代表传播常数为负的区域，右边代表传播常数为正的区域。中间存在一个频率带使传播常数为0，何况不错通过阻容感的值来捣毁这个频率带。这种情况被称为均衡态，因为其提供了傍边手区域的平滑过渡。谐振频率由下式可得。图片
明显，当传播常数为0时，导波波长将会变得无尽大。在LH区域（图左），CRLH TL推崇出负折射恣意格。因此，这种类型的TL也被称为负折射率（NRI）的传输线或超材料传输线。图片
图5 CRLH TL、纯左手（PLH）TL和纯右手（PRH）TL的色散图。图6给出了基于散播式元件的CRLH的示例，其中微带线周期性加载串联电容（折线结构）和并联电感（接地短截线）。图片
图6 CRLH TL的现实终了。与假想电导体（PEC）不同，假想磁导体（PMC）具有对入射平面波同相位反射的性格。算作为天线的反射面时，入射波与反射波的场强会同相访佛，上半空间的辐射性格被明显加强。1999年，好意思国粹者D.Sievenpiper在接洽蘑菇型EBG结构时，发现该结构具有高阻抗名义（HIS）的电磁性格。在特定频率范围内具有很高的阻抗性格，简略对入射平面波产生同相位反射性格，因此，这种EBG结构又被称东说念主工磁导体（AMC）。一般来说，AMC有用带宽为反射相位在±90°之间的频段。一些典型的AMC单元结构如图7所示。图片
图7 不同的AMC单元。三、超材料在天线中的应用1、天线袖珍化电小天线因其小尺寸和低剖面而受到极大关心，这使其成为手机、可穿着开拓、机载开拓和物联网开拓的首要弃取，本日线尺寸和对应波矢量K的乘积小于1或0.5时，一般觉得其属于电小天线。电小天线尺寸小，但是其辐射后果和带宽会裁汰，不不一定是灵验的辐射器。因此面对的主要挑战便是袖珍化和高性能之间的矛盾。传统的袖珍化时期包括使用集总元件、短路针或者高介电常数介质基板。然则，这些顺次会恶化天线的辐射性能。为此，引入了基于超材料的袖珍化天线来克服此类截止并增强天线辐射性格。在接洽基于超材料的袖珍化天线偏激性格之前，有必要深切了解袖珍化天线的一些有用的界说和截止。品性因数Q值等于谐振电路中所储存的能量与每一个周期内奢靡的能量之比的2π倍。Q 值越大，通频带宽度就越窄，电路的弃取性能越好。全向天线的最小Q值是Chu limit：图片
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K为天线波数，α为天线尺寸。式1是用于线极化，式2用于圆极化。Q值与天线带宽成反比（BW≈1/Q），这标明跟着天线尺寸的减小，天线带宽也会急剧减小。一般来说，只消本日线的电流散播充分行使包围它的最小球体时，相应的带宽才会达到chu limit。是以，天线需要仔细贪图其几何姿色，使相应的电流散播产生最大的带宽。超材料偏激特有的性格被觉得是一种很有出息的处治决议，不错达到袖珍化天线的极限。Ziolkowski等东说念主遴选表面化的顺次，接洽了被ENG壳层包围的亚波长偶极子的性能。其主要想想是，由ENG外壳引入的电感赔偿了短电偶极子的自己的电容性，并允许使用符合阻抗匹配，如图7所示。收尾标明，贪图高性能的电小天线在表面上是可行的，但在现实情况下，ENG壳具有色散性格，与无色散情况比拟，性能更差。图片
图8 电偶极子-ENG壳的HFSS模子。另一种天线袖珍化顺次来自超材料传输线。均衡CRLH TL（LH和RH区域之间莫得带隙）在传播常数β（ω0）变为零时推崇出无尽长的导波波长（λg=∞）。这不错终了任意天线尺寸，因为谐振频率与物理体积无关，仅取决于单元格的LC值。因此，不错终了显赫的尺寸减小。这种类型的天线被称为零阶谐振器（ZOR）。该顺次在天线贪图中中得到了行使，其中通过行使图6的级联单元单元终露出61%的尺寸减小（与传统谐振器比拟）。类似地，图9中提议了长度为λ/6的天线。图片
图9 平面袖珍化ZOR天线。在图10中，在表率贴片天线上蚀刻两个CSRRs(互补启齿谐振环)舛误，并在其下方舍弃AMC或RIS（电抗性阻抗名义）。CSRR辐射性能较差，其舛误辐射远场相互对消，导致天线后果低。此外，RIS存储磁能并增多天线的电感，这导致频率进一步裁汰。贴片尺寸为0.099λ×0.153λ，而取得的后果和增益永别为4.7%和-0.1dBi。图片
图10 袖珍化贴片天线。在图11中展示了一种双频段袖珍化微带天线。该天线加载有交指型电容器和电感槽，何况在2.45GHz下具有1/13.3λ0×1/21.4λ0的极小尺寸。当无负载的天线在5.8GHz谐振时，超材料加载（T形槽与交指型电容器组合）在较低频率下产生非凡的辐射形状。在低频段测得的后果为64%，带宽为90 MHz。最灵验的袖珍化天线之一如图12所示。辐射单元是一个矩形贴片，由表率微带线馈电。在天线下方舍弃了一个电LC（ELC）结构，终露出三频责任（2.5/3.5/5.8 GHz），后果跳跃90%，天线尺寸为λ/6×λ/10。图片
图11 双频段袖珍化贴片天线。图片
图12 ELC加载袖珍化贴片天线。以上提议的贪图中的大大齐严重依赖于超材料谐振器（举例，SRR、CSRR、ELC）和辐射器耦合来终了袖珍化。明显，单元谐振器不成提供负的介电常数或磁导率。因此，这些顺次不错被觉得等效于镶嵌在天线结构（其本体上是RLC谐振器）中的电容性和电理性负载，而不是ENG或MNG负载。这种顺次是合理的，因为要是为了合成灵验的ENG、MNG或DNG等，应组合多个单元而导致尺寸立即增多，这与袖珍化贪图办法违抗。诚然超材料由于其推崇出负本构参数的才调而受到关心，但在大大齐袖珍天线的贪图中并未行使该性格。从不同的角度来看，诸如AMC和RIS的超颖名义也用于天线袖珍化。2、提高增益增益是天线最要紧的辐射目的之一，越过是在固定点对点通讯和雷达系统中。具有高增益天线简略增多通讯范围和减小侵略，天线的办法性与其口径成正比，因此部署多个天线阵元的电大天线和阵列天线是终了高增益的一般技能。天线的高办法性和和尺寸之间的经营迫害将电小天线用于需要高增益的应用，是以紧凑的尺寸和高增益之间存在矛盾和挑战性。在以前几年中，依然提议了超材料天线罩和透镜作为有出息的低资本替代决议，用于提高增益而不显赫影响天线体积。这些结构舍弃在辐射元件上方，并通过与辐射器近邻的电磁场相互作用来改换其辐射远场办法图。有三种主要的基于超材料的时期简略擢升增益：a、舍弃ZIM（零折射率材料）或NZRI（近零折射率）材料作为天线粉饰层。b、在辐射结构周围舍弃AMC名义。c、在天线辐射前线舍弃GRIN（梯度折射率）透镜。NZRI材料的折射率n接近于零，其可由在责任频率下推崇出零介电常数或零磁导率的超材料单元构成。对于n=0的超材料结构，证据斯涅尔定律，岂论入射角度奈何，透射波齐将垂直聚焦于介质界面。当超材料介质的折射率接近于零时，其辐射波束会向相配接近法线的办法发生折射，如图13所示。当这种材料被用作天线罩时，这种将球形波迤逦为平面波的道理性格不错迤逦为提高增益。图片
图13 NZRI暗示。如图14所示，一种由金属方环构成的粉饰层，其对角线由金属线相贯穿。金属方环在2.6GHz处推崇为零介电常数，该NZRI粉饰层舍弃在两个责任在交流频率的微带贴片天线上方λ/12的高度处。贴片天线在保握低剖面的同期，使增益提高了3,4dBi。图片
图14 一种NZRI超材料。AMC在提高天线增益方面具有很大的后劲，其表率结构如图15所示。有学者贪图了一种基于AMC的双频段天线，由带环形槽的方形贴片构成。AMC结构被舍弃在宽带贴片后λ/8的距离处，擢升了增益达10dB，同期它也比交流尺寸的典型PEC反射器推崇得更好。图片
图15 AMC表率结构。GRIN（梯度折射率）透镜以其聚焦电磁辐射并将球面波支援为平面波的才调而得到平素应用。这通过折射率n（x，y，z）的逐渐变化来终了，其中x，y，z是笛卡尔坐标下坐标轴，其简略终了波束赋形。与传统透镜比拟，GRIN透镜的一个优点是在给定富余的折射率散播的情况下，它们表面上不错终了任意几何姿色的波准直。梯度折射率透镜最盛名的散播是龙伯散播，如图16所示。图片
图16 球面Luneburg透镜横截面的梯度折射率散播。GRIN透镜的另一个道理的性格是，它们不错增强盼愿办法的辐射，而岂论入射波的入射角奈何，如图17所示。图片
图17 不同入射角θ下球面波支援为准平面波（通过GRIN透镜）的暗示图。3、遁藏度天线单元由于系统的贪图（举例，天线阵布阵元的典型λ/2元件间间距）或为了最小化结构的体积而详细围聚舍弃。由于天线之间的电磁耦合而产生侵略。越过是对于印刷在合并PCB上的平面天线，名义波被觉得是侵略的主要泉源。名义波是TE或TM形状，其沿着天线的基底传播并在空气-电介质界面上衍射，如图18所示。图片
图18 多天线平台中名义波引起的耦合图示。系统去耦和拦截名义波的一些应用如下：a、中继器：中继的辐射机和经受机中间的高遁藏是必要的。b、雷达：调频连气儿波雷达的聪惠度会被辐射机表示到经受机中的相位噪声严重侵略。除非辐射机和经受机充领悟耦，不然信噪比会严重裁汰。c、MIMO：天线单元间的互耦增多了经受信号有关性，因此会减小信说念容量。d、波束赋形：密集摆列天线阵中的单元间耦合会导致辐射办法图失真，从而裁汰波束规则才调。对于提高遁藏度的现存时期包括：a、舍弃寄生单元使其产生反向耦合；b、极化分集；c、去耦网罗；d、增多辐射和经受天线之间的距离或在天线单元舍弃谐振结构。这些顺次已被解释是灵验的提高遁藏度顺次，但同期也导致系统的复杂性和体积增多，并限于特定的应用。如图19所示，报说念了由两个在2.4GHz下责任的印刷单极子构成的紧凑型MIMO。两个天线之间的距离为λ/8，因此它们之间的耦合（S21和S12悉数）只消5dB遁藏度。他们领先不雅察结构的电场和电流散播，以找到电流一个天线流向另一个天线的旅途。在此之后，他们在电场最大的位置舍弃了一个电容负载的分裂矩形回路（CLSRL），终露出跳跃30dB的遁藏度。图片
图19 用单个超材料CLSRL单元终了两个近距离微带天线的解耦。行使超材料增强遁藏度的顺次回来如下：a、在给定的责任频率下，行使仿真软件找到一个天线到另一个天线之间power flow（功率流）最大的位置；b、当只消一个天线被激励时，不雅察最大power flow最大位置的电场和磁场矢量；c、弃取一个不错在上一步中不雅察到的电场和磁场下责任的超材料单元。举例，SRR由垂直于其轴的磁场引发，而CSRRs由电场引发。优化单元的参数，以在盼愿的频率谐振和介电常数和磁导率的虚部最小时谐振，后者对于减少损耗是要紧的。 举例，用于索取CSRR的参数的模拟诞生在图20中示出。行使范围条目PEC（Perfect Electric Conductor）和PMC（Perfect Magnetic Conductor）来模拟电场垂直于CSRR轴的平面波入射。d、将优化的超材料单元舍弃在最大power flow的位置。遁藏跟着超材料单元数目的增多而改善，但是后果频繁由于附加单元引起的更高的能量存储和赔本而裁汰。图片
图20 单个CSRR直到单元的模拟诞生。四、改日挑战1、超材料电小天线（ESA）挑战由于ESA推崇出的局限性，它们的贪图具有挑战性，需要在天线尺寸和性能（即带宽、后果）之间进行折中。诚然超材料被解释是灵验的，不错通过终了新的谐振形状（即ZOR天线）来减小天线尺寸，但主要的挑战仍然莫得改换。举例，超材料的窄带性鲠平直影响袖珍化超材料天线的带宽。此外，大大齐贪图齐专注于通过行使超材料单元的谐振来减小尺寸，但全体天线性能并未优化。越过地，莫得琢磨超材料单元和天线的其余部分之间的相互作用。贪图一个ESA与超材料加载不错是简便的，但终了全体邃密的性能需要进一步的贪图琢磨，如馈电机制，超材料类型，单元的舍弃位置，天线的走线等，因此，咱们得出论断，超材料会加快和匡助ESA的贪图，但需要进一步的接洽。 此外，表面公式将作为贪图准则，以优化天线性格。明显，该领域还不锻练，尽管有一些超材料天线的好例子，但对责任道理的科学认识是有限的，贪图主要依赖于电磁仿真。2、增益增益取决于两个主要参数：孔径后果和尺寸。依然提议了各式NZRI覆层和AMC名义用于增益改善，其中前者具有将才调聚焦在单个点上的才调，此后者充任反射器。GRIN透镜也已被报说念，并在宽带宽上提供增多的增益。毫无疑问，这些顺次的相应增益增多主要归因于孔径尺寸的增多（即，粉饰物、透镜和反射用具有比辐射器更大的尺寸）。然则，它们还提供更高的孔径后果，何况不错比传统反射器更围聚天线舍弃。此外，这种名义比在较高频率下需要极点名义光滑度的金属反射器更低廉且更容易制造。超材料是终了传统上通过组合不同电介质层终了的梯度折射率散播的极好替代决议。另一方面，基于NRZI和AMC的增益增强时期仅被应用于固定波束天线，何况它们与波束可调天线的集成尚未被接洽。这是因为AMC和NRZI粉饰层将辐射聚焦到特定办法。只消GRIN透镜依然与波束可调天线集成，其中系统依赖于馈电天线的机械旋转或在具有不同取向的元件之间切换。这明显不太妥当如今的发展，因为需要具有更快和自妥当的的电子规则/扫描天线系统。此外，这种GRIN透镜频繁不是平面的，因此不妥当于需要低笼统的很多应用。由于波束成形是当代无线通讯中的要道时期，因此任何给定波束办法的增益的增多将进一步提高性能并导致经受器处的以致更高的SNR。因此，自妥当NRZI和AMC超名义和低剖面超材料GRIN透镜用于波束可调阵列的增益增强是一个道理的接洽课题。3、遁藏度超材料提供了一个很好的充分去耦决议。事实上，它们既不增多尺寸，也不显赫影响天线性格。尽管所终了的遁藏水平被觉得足以孤高多种应用，但窄带宽也截止了其更进一步的应用。因此，行使超材料进行宽带解耦也成为了挑战之一。除此以外，多频段天线的超材料遁藏亦然要紧需要的，因为大大齐超材料责任在单一频率。此外，这里经营的大大齐应用，仅琢磨单个水平摆列的天线对，不适用目下大规模MIMO的应用。同期，大大齐对于遁藏的责任齐蚁合在通讯系统的天线上，其中规格不太严格（即MIMO阵列频繁为-20dB）。雷达的要求更高，需要尽可能高的辐射机-经受机遁藏度。五、回来本文选藏先容超材料天线，并强调了它们的优点和流弊。选藏经营了超材料在电小天线、天线增益和遁藏度增强方面的应用，并对超材料的接洽近况进行了综述。贪图量度琢磨和顺次标明，超材料为改日的无线通讯和雷达系统提供了令东说念主沸腾的新契机。【论文标题】Metamaterial-Inspired Antennas: A Review of the State of the Art and Future Design Challenges
【期 刊】IEEE Access
【作 者】Christos Milias et al在线av hsex
【发表时辰】June 2021 本站仅提供存储办事，悉数内容均由用户发布，如发现存害或侵权内容，请点击举报。