用于高增益天线设计的双层介电常数接近零的超材料基板

《AEU - International Journal of Electronics and Communications》：A dual-layer epsilon-near-zero metamaterial superstrate for high-gain antenna design

　　奥兹坎·蒂利（Ozcan Tigli）| 索赫雷·诺阿马德（Zohreh Noamadeh）| 伊桑·坎巴兹（Ihsan Kanbaz）| 易卜拉欣·哈利勒·吉登（Ibrahim Halil Giden）| 埃尔图古尔·阿克索伊（Ertugrul Aksoy）
ASELSAN公司，土耳其安卡拉

**摘要**
本研究提出了一种双层Epsilon-Near-Zero（ENZ）超材料覆盖层，旨在提高微带天线的增益的同时保持可接受的带宽性能。与传统的ENZ基设计不同，所提出的方法将亚波长单元格配置与系统优化的天线-覆盖层间距结合在一起，从而实现了显著的增益提升和可靠的实验验证。ENZ单元格被排列成二维7×7周期阵列，并通过全波仿真研究了单层和双层配置。设计参数经过精心优化，以在不改变工作频率的情况下最大化辐射性能。制作了一个在10GHz频率下工作的原型天线，并进行了实验验证。测量结果显示，与参考天线相比，增益提高了8.24dB，仿真结果与测量结果吻合良好。此外，还探讨了增益提升与带宽之间的权衡。双层配置分别实现了1dB和3dB的增益带宽，分别为4.01%和10.3%，确保了在整个工作频段内的良好性能。所提出的基于ENZ的超材料覆盖层为高增益天线应用提供了一种紧凑、有效且经过实验验证的解决方案，特别是在X波段雷达和卫星通信系统中。

**引言**
材料科学的最新发展以及制造技术的进步，使得在微米和纳米尺度上设计和实现定制材料及结构成为可能。通过使用精确制造的人造结构，可以控制和操纵远小于工作波长的波-物质相互作用[1]、[2]。由周期性/非周期性亚波长元素组成的超材料因此受到了广泛关注，因为它们能够表现出共振和非共振的电磁响应。根据单元格和晶格配置的不同，这些人造复合材料可以被设计成具有有效的正双介电常数、负介电常数、负磁导率或负双介电常数[3]、[4]、[5]，从而实现对波传播、相位响应和场限制的前所未有的控制，超越了传统材料的限制[6]、[7]、[8]。在可实现的各种超材料特性中，特别关注的是那些有效介电常数和磁导率接近零值的材料，这导致了接近零的折射率。这类人工介质通常被称为ENZ或零折射率材料（ZIM）[9]、[10]、[11]，它们产生了一系列非常规的电磁现象，包括光子隧穿[12]、强电场增强[13]、异常的电磁能量传输[14]、空间不变的相位积累[15]，以及对辐射方向性和发射特性的增强控制[16]。
除了这些光学效应外，ENZ超材料还广泛用于天线相关应用。先前的研究报道了在波束成形和辐射模式定向[9]、阻抗匹配和小型化[17]、减少互耦[18]以及提高辐射效率[19]方面的改进。然而，由于其固有的共振特性，基于ENZ的天线和覆盖层配置通常具有较窄的工作带宽，这大大限制了它们在实际宽带系统中的应用。在各种实现策略中，将超材料覆盖层放置在辐射元件附近被证明是一种有效的方法来提高天线增益。这种覆盖层与天线近场强烈相互作用，能够实现相位操控、有效孔径扩展和场聚焦。尽管如此，在ENZ基覆盖层设计中实现增益提升与工作带宽之间的理想权衡仍然是一个挑战性任务。
基于这些考虑，本研究通过设计和实现一种紧凑的基于ENZ的超材料覆盖层来利用接近零的电磁响应，同时提高天线增益并保持相对较宽的频带宽度（FBW）。该方法首先设计了一个在10GHz附近表现出ENZ行为的亚波长单元格，然后将该单元格排列成二维周期阵列，形成10GHz时的覆盖层面板。这种密集的周期性排列确保了覆盖层与辐射元件之间的强近场相互作用，同时保持了电学上的紧凑性。设计的覆盖层首先集成在传统的微带贴片天线之上，以研究其对辐射特性的影响，特别关注增益提升和带宽行为。为了进一步提高性能，进一步探索了双层覆盖层配置，并对增益提升和频带宽度特性进行了系统分析。最后，所提出的天线-覆盖层系统被制造并进行了实验验证。我们的贡献如下：
- 设计了一种紧凑的基于ENZ的超材料覆盖层，通过强近场相互作用来提高微带贴片天线的辐射性能；
- 系统地研究了单层和双层覆盖层配置在天线增益提升与频带宽度之间的权衡，解决了ENZ基天线设计中常见的限制；
- 制造并实验验证了所提出的天线-覆盖层系统，测量结果显示增益提高了8.24dB，同时实现了约10.3%的相对较宽的频带宽度。

**本文余下部分的结构**
第2节介绍了ENZ材料的理论背景。第3节描述了ENZ单元格的设计，包括单元格排列和参数优化。第4节展示了ENZ集成阵列的设计及相应的实验结果。第5节比较了现有研究。最后，第6节讨论了结果并总结了全文。

**附录**
- **ENZ材料的理论背景**：本节介绍了设计具有ENZ特性的超材料单元格的理论基础。可以使用麦克斯韦方程[20]分析无源均匀ENZ区域内电场的行为。相关积分形式表示为∮LE?dl=0和∮SD?dS=Qenc，其中Qenc表示由封闭表面S围成的自由电荷。
- **ENZ单元格设计**：图2中展示的超材料单元格被用作所提出的天线覆盖层设计的基本构建块。本研究采用的单元格几何形状受到广泛报道的基于方形环的超材料结构的启发，例如[22]中的设计，这些结构表现出明显的共振行为，并能够精确操控有效电磁参数。
- **ENZ集成阵列设计与实验结果**：设计了两种配置并进行了分析。在单层和双层实现中都采用了7×7阵列。一个在X波段（8–12 GHz）工作的传统微带天线（增益为6.06 dBi）被置于阵列前方作为馈源。通过调整单元格的a、b和c参数来优化阵列元素，以定制10 GHz处的电磁响应。图9展示了所提出的天线配置的侧视图。
- **讨论与现有工作的比较**：所提天线系统中增益的提升从根本上基于斯涅尔定律和孔径理论[22]、[24]。当超材料的折射率（n）在ENZ范围内接近零时，电磁波被迫几乎垂直于界面折射，无论入射角度如何。这种现象导致辐射场自然聚焦，产生彼此平行的高度定向的传输射线。

**结论**
在这项工作中，设计并实验验证了一种紧凑的基于ENZ的超材料覆盖层，用于提高10 GHz微带贴片天线的辐射性能。开发了一个亚波长ENZ单元格，并将其排列成二维周期阵列，形成单层和双层覆盖层配置。通过系统优化几何参数和天线-覆盖层间距，实现了显著的增益提升，同时保持了紧凑的配置。

**作者贡献声明**
奥兹坎·蒂利（Ozcan Tigli）：撰写 – 审稿与编辑、方法论、研究、概念化。
索赫雷·诺阿马德（Zohreh Noamadeh）：撰写 – 审稿与编辑、研究、概念化。
伊桑·坎巴兹（Ihsan Kanbaz）：撰写 – 审稿与编辑、研究、概念化。
易卜拉欣·哈利勒·吉登（Ibrahim Halil Giden）：撰写 – 审稿与编辑、方法论、研究、概念化。
埃尔图古尔·阿克索伊（Ertugrul Aksoy）：监督、方法论、研究、概念化。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

**致谢**
作者衷心感谢ASELSAN公司及其相关工程团队在整个研究过程中的技术支持和宝贵贡献。作者还要感谢Hüseyin Sinan Ak?im?ek博士和Okan Yurduseven教授的指导性和建设性讨论，这对本工作的发展做出了重要贡献。I. Kanbaz的工作得到了科学和技术研究基金的资助。