超材料在高性能小型化天线中的应用

图12  零阶谐振天线的结构及其等效电路

  图13  微带谐振天线样品的尺寸比较

3.3、零折射率超材料在高指向性天线中的应用

根据斯涅尔定律，当电磁波斜入射至超介质与自由空间的分界面时，有：n₁sinθ₁=n₂sinθ₂

其中，θ₁、θ₂分别为电磁波的入射角和折射角，n₁为自由空间的折射率，n₂为超介质的折射率。假设超介质是ε﹤0，μ﹤0的左手材料，那么折射波将与入射波在法线的同一侧，如图14所示。

图14  电磁波在两种不同媒质交界面的透射关系

（媒质1为自由空间，媒质2为左手材料）

假设该超介质的等效介电常数（ε=ε₀ε_r）或磁导率（μ=μ₀μ_r）趋于零，其折射率n₂也趋近为0 ，这种材料被称为零折射率超材料（Zero – index metamarerial，简称ZIM）。当电磁波入射到ZIM与自由空间的分界面时，不论电磁波以何种入射角入射到ZIM上，在其出射面都能以趋近平行于法线的方向射入自由空间，将原本发散的电磁波整理成趋近于分界面法线的方向的近似平行波，起到能量汇聚的功能，如图15 所示。在天线近区场时，并不能完全用反射和折射进行概括，同时可以认为电磁波的频率与ZIM结构的等效等离子体频率相近时，产生强烈的谐振，电磁场在结构上发生强烈的场耦合，此时ZIM可以耦合成为一个阵列辐射源，产生近似平行波的辐射。利用ZIM这一特性，将其覆盖于天线阵列上方，可以有效地使电磁波汇聚，从而提高阵列天线的方向性和增益（如图16所示），使其在同等增益下减少天线单元的个数，这对阵列天线的小型化有着十分重要的意义。

图15  电磁波经过ZIM层产生能量汇聚示意图

图16 在天线上方覆盖传统右手材料与ZIM波束宽度对比

图17 几种具有零折射率的超介质结构

3.4、超材料在MIMO天线中的应用

在MIMO天线中引入超材料的主要是为了减小（甚至是消除）天线间的互耦影响。

Baccarelli在理论上对基板的散射方程进行了数学分析，提出了以左手材料作为天线基板抑制表面波TE模、TM 模的条件。他指出将左手材料作为天线基板可以减少天线的边缘散射，提高天线的辐射效率；而将左手材料与右手材料复合作为天线基板，可抑制天线边沿辐射，减少天线阵元间的干扰，同时提高天线方向性。采用超材料作为基板的微带贴片天线如图18所示。

图18  采用超材料作为基板的MIMO天线

作者：冯彬 郑思萍