基于AMC反射器加载的CRLH-TL-Hilbert结构启发天线在无线应用中的性能研究

摘要

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。

摘要

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。

引言

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¹²展示了一种具有12.5 dBi增益的Hilbert分形MIMO阵列。尽管取得了这些进展，现有设计仍存在增益受限（通常为12–16 dBi）、缺乏可重构性或需要复杂的基于通孔的制造工艺等问题。

本研究提出了一种新型的CRLH-TL天线，该天线集成了三阶希尔伯特曲线型EBG结构和零相位AMC反射器，适用于5G亚6 GHz应用。其主要创新点包括：（i）通过引入基于希尔伯特曲线的EBG结构，消除了传统通孔，从而降低了插入损耗和制造复杂度；（ii）相较于基准设计增益提高了4 dB，在5.6 GHz频率下实现了20 dBi的增益，显著优于以往的CRLH-TL天线（通常为12–16 dBi）；（iii）采用光敏电阻（LDR）实现光学重构，可在无需电气偏置线路的情况下实现波束偏转和增益调节；（iv）具备直接幅度调制能力。上述进展共同解决了现有超材料（MTM）天线在增益、可重构性及制造复杂性方面的关键局限性。

方案

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：6.0 mm）。在基板背面，未采用传统的通孔结构，而是引入了一种三阶希尔伯特曲线结构（外尺寸：7.87 mm × 7.87 mm；走线宽度：0.48 mm；间隙：1.19 mm；附加线段长度分别为 2.39 mm、1.43 mm 和 3.10 mm，如图 2B所示），以提供电感加载并同时最小化辐射损耗¹¹。十七个单元以 1 × 17 的线性阵列排列，单元间距为 8.5 mm（约等于 5.6 GHz 时的 λg/4）。叉指电容器与 T 型支节电感器的尺寸经过参数化优化；最终设计对应于增益最大且 S11 最小的结构配置，如图 2所示。

EBG 结构的实现
在基板背面打印了一个 17 × 1 的三阶希尔伯特曲线结构阵列，该阵列与每个 T 型支节电感器同心对齐。每个希尔伯特单元占据 7.87 mm × 7.87 mm 的面积，T 型支节电感器位于该区域中心，以最大化电感耦合¹²。EBG 阵列的放置使其纵向轴线与 CRLH-TL 阵列的中心线重合，通过光刻过程中的光学对准标记实现精确定位。希尔伯特 EBG 可抑制表面波传播并改善阻抗匹配¹³。可视化检查点：用于实现 EBG 的三阶希尔伯特分形几何结构如 图 2B 所示。

AMC反射器设计
采用六边形单元结构（边长：5.2 mm；周期：9.0 mm）设计了一个7 × 10的AMC反射器阵列。每个单元在贴片中心处设有三个矩形缝隙（长度：3.5 mm；宽度：0.4 mm），以120°间隔排列，以实现5.6 GHz时的零反射相位。该阵列制作在相同的Rogers RT/duroid基板上，并位于天线接地平面下方8.0 mm处（约等于5.6 GHz时的λ₀/6.7）。相邻六边形之间的单元间距保持为0.5 mm，最终阵列整体尺寸为200 mm × 100 mm。通过使用带有微米级可调平台的机械夹具，实现AMC阵列相对于天线的精确对准，确保±0.1 mm的位置精度。视觉检查点：AMC反射器的单元结构及完整阵列布局应与图3一致。

光开关集成
表面贴装型光敏电阻（LDR）被集成到每个CRLH单元的T型支节中。每个LDR被放置在T型支节电感主干上的0.5 mm间隙处，距离支节连接点3.0 mm。LDR的安装采用导电环氧树脂粘接，并在80°C下固化30分钟。外部635 nm红色激光二极管（光功率：5 mW；光束直径：3 mm）作为光学光源。激光束通过计算机控制的检流计镜系统进行引导，可选择性地照射单个或多个LDR。在关断状态表征时，使用不透明黑色聚氯乙烯（PVC）盖板（厚度：1.5 mm；尺寸：10 mm × 15 mm）覆盖在每个LDR上以阻断光照。视觉检查点：T型支节结构中的LDR集成位置应清晰可见，如图1所示。

制备与测量流程
天线的制备采用湿法化学刻蚀工艺。基板先用异丙醇清洗，于60°C下干燥10分钟，随后涂覆正性光刻胶（AZ 4562，以3000 rpm转速旋涂30秒，并在100°C下前烘90秒）¹⁴。通过掩膜版进行紫外曝光（350 nm，12 mW/cm²，25秒），然后在AZ 400K显影液中显影（与去离子水按1:4稀释，显影45秒）¹⁵。铜层刻蚀使用三氯化铁溶液（FeCl₃，40% w/v，40°C，8分钟）进行¹⁶。残留光刻胶用丙酮去除，随后用去离子水冲洗并用氮气吹干¹⁷。可视化检查点：如图4所示的制备完成的天线原型。

测量在射频屏蔽室内进行（尺寸：4.5 m × 3.0 m × 2.5 m；1–12 GHz 频率范围内的隔离度 > 90 dB）。待测天线（AUT）安装在由计算机控制的方位-俯仰定位器上（旋转精度：±0.1°；角度范围：方位角360°，俯仰角±90°）。参考天线采用宽带双脊喇叭天线（1–12 GHz）。S参数测量使用矢量网络分析仪完成，并采用完整的双端口SOLT（短路-开路-负载-直通）校准套件进行校准。远场增益通过增益传输法测定，标准增益喇叭天线的已知增益为8.2 dBi（5.6 GHz时）。所有测量均在常温实验室条件下进行（温度：22 ± 1 °C；相对湿度：45 ± 5%）。

结果

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 ...

讨论

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...

材料

本文使用的材料清单

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