超材料微带天线的研究进展

摘 要：汽车的智能网联化对车载雷达等智能车身传感器提出了更高的性能要求，其中内置微带天线的性能至关重要。超材料的新颖特性非常有利于提高微带天线的增益、小型化和集成化程度，这里超材料与微带天线的合理匹配是设计研究的重点。从天线结构角度来看，超材料微带天线的类型可分为超材料覆层型微带天线、超材料基板型微带天线、复合左右手传输线型微带天线。超材料微带天线在抑制天线表面波、提高天线方向性和天线多频化等方面具有很好的应用潜力。

关键词：超材料;微带天线;小型化;增益;集成化

中图分类号：U445  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2019）07-200-07

Abstract： The intelligent networking of automobiles puts higher performance requirements on smart body sensors such as vehicle radars， and the performance of built-in microstrip antennas is crucial. The novel characteristics of metamaterials are very beneficial to improve the gain， miniaturizion and integration of microstrip antennas. The Reasonable matching of metamaterials and microstrip antennas is considered to be the focus of design research. According to the structure of micro -strip antennas， it can be divided into metamaterial coated microstrip antenna， metamaterial substrate microstrip antenna and composite left/right- handed transmission line microstrip antenna. The metamaterial microstrip antenna has a good applica -tion potential in suppressing the antenna surface wave， improving the antenna directivity and multi-frequency antenna.

Keywords： metamaterial; microstrip antenna; miniaturizion; gain; integrated

CLC NO.： U445  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2019）07-200-07

前言

1953年Deschamps首次提出微帶天线，然而受限于覆铜、覆金介质基片光刻技术的落后，直到20世纪70年代Munson和Howel才制造出第一个实际意义上的微带天线[1]。微带天线具有体积小、结构简单、成本低、易与与其他电磁器件共形、方便与馈电网络和其他有源器件集成等优点。在汽车智能网连化蓬勃发展的过程中，对车载雷达等智能车身传感器的集成化和小型化提出了更高要求，因此微带天线成为车用雷达的新选择，目前己有采用微带天线阵的汽车雷达系统[2-3]。但是传统的微带天线的增益普遍较低、性能受介质板材影响较大，易激励表面波导致能量损耗、功率容量较低、频带较窄、馈电与辐射元之间存在着隔离差、方向性比较差等缺点制约微带天线的进一步发展和应用。上述问题亟需新的微带天线设计理论及研究，本世纪初脱颖而出的超材料设计理念[4-7]恰逢其时，随着超材料理论不断发展，目前超材料已经在天线、雷达、滤波器等领域得到应用，并取得较好的效果。

1 超材料的新颖特性及天线合璧

超材料是一类人工复合结构材料，它可以通过周期性的人工结构对外加电磁场产生相应的响应。随着研究的深入，超材料的范围也愈加广泛，主要包括：左手材料、光子带隙晶体、负磁导率材料，近零折射率材料和频率选择表面等[8]。超材料的思想最早可追溯到1904年，科学家Schuster A和Lamb H发现在吸波谐振频率处存在不规则色散，从而可能出现负群速。1968年，前苏联科学家Veselago[4]从理论上对这一思想进行拓展，提出了电导率和磁导率同时为负的可能性，但由于在自然界中没有找到该类材料，超材料受到质疑而没有任何进展。直到1996-1999年期间，英国科学家Pendry等[5-6]提出一种通过细金属棒（Rod）阵列和金属谐振环（SRR）实现负的等效介电常数和负的等效磁导率的方法。2001年美国科学家Smith等[7]成功制作出X波段等效介电常数和等效磁导率同时为负的左手超材料，第一次从实验上证实了负折射的存在。

超材料理论上可以得到任意数值的磁导率或介电常数，极大突破了人们对传统材料的认识禁锢，超材料的发现引起人们极大地兴趣，越来越多的学者投入这个领域。近年来，超材料研究成果纷纷涌现，主要集中在两个方面：一是超材料新型结构的实现和性能优化，得益于先进的人工制备技术，左手超材料的结构越来越多样化，概括起来主要有五大类[16]，如以十字勋章形[17]、工字型[18]、川字型[19]、树枝型[20]、梯形[21]等为基础的谐振贴片型超材料，以及传输线集成型[22]、薄膜层合型[23]、颗粒复合型[24]、渔网型[25]等;二是超材料在天线等工业领域内的应用，如圆片结构多带与宽带超材料吸波器[26]、超材料基板微带天线[27-28]、超材料滤波器等[29]。基于超材料理论设计出的天线如图1所示，不仅实现了较为完美的辐射而且突破了传统意义上的物理天线尺寸限制，这些均在智能车身传感器方面有潜在应用。

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