新型电磁超材料在天线中的应用研究

新型电磁超材料在天线中的应用研究

鲍敬源 1 郭龙颖 2

1. 海装驻武汉地区第二军事代表室 湖北省武汉市 430064 2. 武汉 701所电磁室 湖北省武汉 430064

摘要：人工电磁超材料自身具备独有的特质，这些优异的特性是目前自然形成的物质所不具备的，电磁超材料自身主要的性质就是超常电磁特性，这种电磁超材料是一种复合结构材料。本文主要研究了在天线中运用新型的电磁超材料的可能性，并且依据材料的特点发掘潜在能力，不断的提升天线的自身性能。

关键词：新型电磁超材料：天线；应用

在超材料领域，材料的分类主要涉及到两个方面的内容，分别是单负材料以及左手材料，在这两种材料中左手材料主要是介电常数和磁导率双负，有负介电常数以及负磁导率是单负材料的主要特征，与入射电磁波的波长进行类比发现这些材料具有很小的单元周期尺寸。在材料性质方面，超材料具有三个主要特点：采用新型的人工结构、卓越的物理性质，此外人工结构还会导致超材料出现一些特殊的性质。

1新型电磁超材料的简述

对负介电常数产生相应的研究与分析。在正常的等离子中，由于正负电荷产生分离，由于离子的质量较大，所以通常视为固定的，所以此基础上就会形成带有正电荷的背景环境，通过静电力的作用，等离子机体在遇到负电子时会出现振荡，这个振荡的频率就是所谓“等离子体谐振频率”。在一定的条件下，超材料是处于负介电常数状态，既入射电磁波频率相较等离子体谐振频率低。正常情况下，金属的等离子体谐振频率较高。

从负磁导率的角度进行分析和阐述时，研究人员需要依靠同轴开口谐振圆环结构，并且需要用其他材料来代替其中的原子和分子，并且主要采用金属结构单元，并在宏观展现出谐振特性，在负磁导率的方面运用较广，并且在负磁导率频段进行调节，通常要实现这一操作需要对几何参数以及结构都进行改变。

同谐振环结构的谐振频率进行类比后发现，当频率处于较低时，磁导率是正值，当频率高时，就会出现负值。在根据相应公式进行研究之后可以得知，谐振频率受到多方面因素的共同作用，主要涉及到几何尺寸、形状以及排列周期等，受到这些因素的影响，就需要工作人员依据特点对其进行相应的调整与设计。

2石墨烯材料的特性以及研究方案

石墨烯是由碳原子紧密连接而成的正六边形单层晶格材料，碳原子通常具备三个杂化轨道，依次是S、Px、Py，并且相邻的三个碳原子之间有极强的共价键，而在Pz轨道上π电子会和平面以垂直状态相连，并且所有的π电子会交叠成π键，并且整个石墨烯成可以完全对π键进行应用，在整个石墨烯平面中，π电子通常是可以移动的。在对材料进行长久的研究之后，可以从石墨中分离出来单层的石墨烯，并且因为石墨烯的特殊性，使得自身具备多种特点和性质，主要在于机械特性、导热性、电子迁移率以及传导电子特征等。

以机械特性来说，石墨烯仅由碳原子构成，并且排列非常规则，具有独特的二维晶格结构，并依靠自身独特的结构而产生了多种不同的特性。碳原子在石墨烯中以强大的键能结合在一起，而且具备特殊的柔韧性，当在弹性限度内施加一定的外力后本体会产生一定的扭曲，在撤销外力时石墨烯可以自由恢复原状。通过对石墨烯的深入研究，科研人员发现石墨烯在相应领域中具有非常好的应用潜能，受到良好的机械强度影响，它在压力传感器以及共鸣器等方面具备良好的应用前景。

以导热角度来看，石墨烯具有优异的导热性能，这种能力来自于它的二维晶体结构，由于其中电子可以自由移动，所以其他的晶格是无法对其产生影响的。在相关人员进行非接触方法应用研究之后，测量出了石墨烯的导热率，结果显示它的导热率要比钻石更加优秀。

3在石墨烯上的THz偶极子天线

在社会与经济的双重发展状态下，科研人员对于石墨烯类电磁超材料和天线的结合应用方式进行了长久的研究。THz偶极子天线就是依靠石墨烯而产生的，特点是用石墨烯替代金属。正是因为石墨烯材料材料本身的特殊性，使得它可以在THz频段下展现出独特的信息传输能力。

以仿真软件CST微波工作室进行建模之后，可以充分利用石墨烯表面的阻抗模型，在这种条件下，科研人员可以实现石墨烯偶极子天线特性的整体性研究。在仿真操作中，运用了CST微波工作室里的频域求解器，它是通过有限元算法来进行运作的。在模型中以石英为衬底，介电常数为3.75，表现出来的特性是在THz频段中损耗可以忽略不计。通常在实际操作中需要把端口激励设置在天线的中间位置，而石墨烯层的边缘量子效益是可以不用考虑的，这种情况具体出现在石墨烯结构以微米量级存在的时候。

4以超材料实现天线小型化的相关探索

受到军事以及民用领域需求的影响，通信技术一直处于高速发展阶段，天线是无线通讯设备的接受部件，并且对其材料的运用以及设计要求也越来越高。在考虑到通信电磁波辐射全方向性以及通讯接受设备的可穿戴性的要求之后，就需要尽可能的使天线的尺寸降低，在电磁兼容性方面具有良好的特性。而在通常的通讯设备中微带天线是一种的较为基础的解决方案，它本身的尺寸影响着通信系统的性能以及大小。在微带天线中常见的小型化方案有以下几种：

加载短路探针技术。以微带天线馈电点周围电场强度为零的位置施加一个短路探针，让天线从开路变成短路的驻波结构，并且会产生四分之一波长谐振，运用该方法会将天线整体大小降低50%。但是问题在于受到短路探针与馈电点距离的影响给阻抗匹配带来了很大的难度，这一点会给加工阶段带来一定的麻烦。

曲流技术。这种方法是需要在贴片原表面电流路径中以多样的方式切开一些凹槽来截断电流的流动路径，让电流以曲折的方式进行传递从而达到电流长度增加的目的。根据相关理论，这种方案类似于将传输线模型中的等效电感增加的方式，具体数据显示采取这样的方法确实可以降低天线的谐振频率。但这种方法也存在缺点，天线的性能过于依赖尺寸的大小，在天线性能与尺寸大小相关曲线中存在不够平滑的特点。

分型技术。由于分型结构比拓扑维度大的原因，使得它本身可以将小规模空间最大化的利用起来，这也是它能在天线小型化中得以运用的一个原因。它的优势在于：增加天线频带而不需要额外调谐线圈和电容等组件，在匹配电路的情况下可以在大范围带宽条件下形成阻抗匹配，并且带有“自加载”的特点。

有源加载技术。在运用有源加载网络的放大作用以及阻抗补偿技术时可以使得天线性能不受到尺寸的影响。运用这种技术生产的天线本身具备工作频段宽、增益高、方便进行阻抗匹配等特殊优点。这种方法的缺点是有源网络会对它产生噪声以及失真的影响。

5结束语

社会经济的发展是人类一直讨论的话题，受此影响多学科多领域的专业技术蓬勃发展，新型电磁超材料也逐渐进入人们的视野，并且大量应用在天线领域。文章主要对超材料谐振做出一定的探索，分析天线小型化技术类型，以及石墨烯材料天线等。传统的超材料具有一定的局限性，所以本身能发挥的作用有限，并且自身带宽较为狭窄，无法进行大规模拓展运用，因此就需要对新型电磁超材料不断进行相应的开发和探索，使得电磁超材料可以不断补足自身的缺点，在带宽上尽可能的增加，使得电磁超材料可以在天线领域获得更为广泛的应用。

参考文献：

[1]封旭旭. 电磁超材料及其在天线上的应用研究[D].电子科技大学,2019.

[2]张庆乐. 新型电磁超材料在天线中的应用[D].北京理工大学,2016.

[3]冯长乐. 基于电磁超材料的高增益天线研究[D].电子科技大学,2015.

范迎春. 新型亚波长电磁超材料的设计与应用研究[D].西安电子科技大学,2014.

第一作者：

鲍敬源，197706，男，汉族，上海，军事代表，工程师，硕士，作战系统，工作单位：海装驻武汉地区第二军事代表室，湖北省武汉市张之洞路268号64291信箱，430064，

第二作者：

郭龙颖，199504，男，汉族，武汉，专业技术岗，助理工程师，学士，电子科学与技术，武汉701所电磁室，湖北省武汉张之洞路268号430064