本研究提出了一种用于5G sub-6 GHz应用的高增益CRLH传输线天线，该天线集成了Hilbert分形EBG和人工磁导体反射器。该设计实现了20 dBi的增益、2.1 GHz的带宽、改善的前后比，并利用光敏电阻实现可重构性，从而实现有限的光束偏转控制。
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本研究提出了一种用于5G sub-6 GHz应用的高增益CRLH传输线天线，该天线集成了Hilbert分形EBG和人工磁导体反射器。该设计实现了20 dBi的增益、2.1 GHz的带宽、改善的前后比，并利用光敏电阻实现可重构性，从而实现有限的光束偏转控制。
本研究提出了一种用于5G sub-6 GHz通信网络的新型可重构天线设计，通过复合左右手传输线（CRLH-TL）、希尔伯特曲线电磁带隙（EBG）结构与人工磁导体（AMC）反射器的协同集成，实现了显著的增益提升和波束转向能力。该天线由17个CRLH-TL单元与三级希尔伯特分形EBG耦合构成，无需传统通孔结构，有效降低了表面波损耗。在未集成AMC反射器时，天线在5.6 GHz频率下可实现16 dBi的峰值增益。引入一个具有零反射相位特性的7 × 10六边形AMC反射器阵列后，天线在5.6 GHz下的前向增益提升至20 dBi，增益提高4 dB，同时有效抑制了后瓣并形成单向辐射方向图。通过采用光敏电阻（LDR）的光学开关机制实现天线的可重构性与波束扫描功能，在5 GHz频率下实现了增益调节及±5°的波束偏转。该设计实现了2.1 GHz的阻抗带宽（S11 < –10 dB）和78%的辐射效率。与以往的CRLH-TL天线相比，本设计实现了4 dB的增益提升，并在无需通孔制造复杂性的前提下引入了光学可重构性。仿真与实测结果高度一致，验证了设计方法的有效性。该天线适用于自适应5G基站、卫星通信及波束可调雷达系统。
第五代（5G）无线通信系统对高性能、自适应天线的需求不断增长，推动了基于超材料（MTM）设计的研究进展1,2。超材料具有独特的电磁特性，包括负介电常数和负磁导率，可在复合左右手传输线（CRLH-TL）结构中实现零阶谐振，从而显著缩小天线尺寸3,4。然而，传统MTM天线常存在增益低、阻抗带宽窄以及因需要通孔而带来的制造复杂性等问题5,6。
为解决这些局限性，已将电磁带隙（EBG）结构与人工磁导体（AMC）反射器相结合，以抑制表面波传播、改善阻抗匹配并提高前向增益7,8。近期研究表明，在双频段和多频段配置中使用AMC反射器可实现2–6 dB的增益提升9⁻18。例如，Jwair等人9报道了一种超表面天线在5.5 GHz下实现了14 dBi的增益，而Ali等人
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天线设计与仿真设置
天线采用基于有限积分技术（FIT）的商用三维电磁仿真软件进行设计10。仿真参数配置如下：（i）求解器类型：采用六面体网格的时域求解器；（ii）频率范围：4–7 GHz；（iii）网格密度：每波长20条线，启用自适应网格细化，精度阈值为–30 dB；（iv）边界条件：所有方向采用开放边界（添加空间），结构与边界最小距离为λ/4；（v）远场监测器：在频率范围内以0.1 GHz间隔设置；（vi）端口激励：波导端口，阻抗为50 Ω。选用Rogers RT/duroid 8550材料，其相对介电常数（εr）为2.55，厚度为1.5 mm，损耗角正切（tan δ）为0.0033。可视化检查点：完成模型几何结构后，天线结构应如图1所示，清晰显示CRLH单元结构、叉指电容器和T型支节电感器。
CRLH-TL 天线的制备
该天线采用非对称共面波导（CPW）馈电结构。串联电容通过叉指电容器实现，而并联电感则通过 T 型支节电感器实现，所有几何尺寸均根据图 2A所示布局确定。并联电感由 T 型支节电感器实现（支节宽度：0.5 mm，支节长度：15 mm，支节宽度：6.0 mm，支节长度：6....
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天线设计与仿真设置
基准CRLH-TL天线（无AMC反射器）的仿真与实测S11参数在3–6 GHz频率范围内表现出极好的一致性。该天线在3.7–5.8 GHz范围内实现了2.1 GHz的–10 dB阻抗带宽，最小S11值为–32 dB，出现在5.6 GHz处。相应的VSWR在整个工作带宽内均低于1.5。参数研究表明，将叉指电容器的指状电极数量从1个增加到5个，可逐步改善阻抗匹配性能，其中5个指状电极为最佳匹配状态（图5）。这种性能提升归因于电容耦合增强以及CRLH-TL色散特性的更佳平衡18。这些结果支持了如下假设：优化叉指电容对于实现无通孔CRLH-TL结构的宽带阻抗匹配至关重要19。
CRLH-TL 天线的制备
基于 EGB 的（T 型支节）结构对天线增益具有显著影响。在目标频带内，引入 EBG 后，天线的实现增益从 6.7 dBi 提高到 .......
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本研究提出了一种通过协同整合三种互补技术，在平面超材料天线中实现高增益、可重构辐射的新方法：采用无过孔的具有Hilbert型电磁带隙结构（EBG）的复合左右手传输线（CRLH TL）以最小化损耗，利用零相位人工磁导体（AMC）反射器增强增益，以及受Al Naiemy21启发的光控LDR开关实现可重构性。该方法独特地消除了传统基于过孔的CRLH-TL实现所带来的制造复杂性，同时引入了一种无导线的可重构机制22。
本研究在四个方面推动了可重构超材料天线领域的发展。首先，研究证明希尔伯特分形EBG结构可有效替代CRLH-TL设计中的通孔，为工业应用提供了简化的制造途径23。其次，研究证实平面CRLH TL天线可实现20 dBi的增益，显著优于现有技术典型的12–16 dBi，从而将应用范围扩展至中等增益基站和卫星通信场景24。第三，研究验证了光控开关作为天线阵列可重构机制的可行性，能够在控制路径与射.......
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作者声明无利益冲突。
作者们衷心感谢伊拉克巴格达国际应用与理论研究中心（IATRC）提供的实验室设施和技术支持。本研究未从公共、商业或非营利机构等资助单位获得任何专项资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 基底材料 | Taconic | www.taconic.co.kr/rf-43 | Rogers RT/duroid 8550，εr=2.55，h=1.5 mm |
| 光刻胶 | MicroChemicals | www.microchemicals.com/products/az-4562 | AZ 4562 正性光刻胶 |
| 显影液 | MicroChemicals | www.microchemicals.com/products/az-400k | AZ 400K 显影液浓缩液 |
| 刻蚀剂 | Sigma-Aldrich | 270290-1KG | 氯化铁，40% w/v |
| 溶剂 | Sigma-Aldrich | 270725-1L | 丙酮，半导体级 |
| 溶剂 | Sigma-Aldrich | 278475-1L | 异丙醇，半导体级 |
| 导电环氧树脂 | CircuitWorks | www.chemtronics.com/cw2400 | CW2400 导电环氧树脂 |
| 光敏电阻 | Advanced Photonix | PDV-P8103 | 光敏电阻，5–10 kΩ（光照下）/ 1 MΩ（黑暗中） |
| 激光二极管 | Thorlabs | L635P5 | 635 nm，5 mW，椭圆光束 |
| 检流计 | Cambridge Technology | 6215H | 光学扫描镜系统 |
| 矢量网络分析仪 | Keysight | 37347A | 矢量网络分析仪，10 MHz–20 GHz |
| 喇叭天线 | ETS-Lindgren | 3117 | 双脊喇叭天线，1–12 GHz |
| 定位器 | ORBIT/FR | AL-4163-4A | 方位/俯仰定位系统 |
| 射频屏蔽室 | ETS-Lindgren | FACT-3 | 屏蔽 enclosure，4.5×3.0×2.5 m |
| 仿真软件 | Dassault Systèmes | CST Studio Suite 2023 | 三维电磁场仿真器 |
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