一种采用双叉指结构与三节阶跃阻抗技术的亚波长多频带阻超材料反射器，用于增益增强

《Electronics》：A Subwavelength Multiband Bandstop Metamaterial Reflector Using Double Interdigital Structure with Tri-Section Step-Impedance Technique for Gain Enhancement

　　

本文提出了一种亚波长多频带阻超材料反射器，用于实现超越传统金属反射器的天线增益增强。该单元结构被设计用于在三个频率产生多频带阻带：第一个频率为1.8 GHz，第二个频率为2.6 GHz，第三个频率为3.5 GHz。该设计在低成本FR-4印制电路板上实现，结构简单且尺寸紧凑。单元结构包括采用三节阶跃阻抗技术的传输线配置，并通过双叉指结构在传输线末端连接电容负载。该结构可控制第一、第二和第三谐振频率在期望频带内发生，并确保谐振相互独立。双叉指电容负载显著增加了电容加载，沿传输线结构产生了强慢波效应，超过了传统电容加载技术所达到的效果。因此，单元传输线尺寸从传统的λ/2大幅减小至λ/16。为实现超材料特性，该单元结构被改进为呈现负介电常数（epsilon-negative, ENG），以便相比传统材料获得增强的反射，同时保持正磁导率。这是通过在三节阶跃阻抗技术的主结构后面添加杆（ROD）结构实现的。这种配置在结构上产生了左手电流，从而在所有三个谐振频率处获得负介电常数值。制作了一个14×14单元阵列，形成尺寸为148 mm×161.7 mm的超材料反射器，该尺寸非常紧凑。通过将工作频率与反射器相同的单频谐振偶极子天线放置在反射器前方并沿X轴平面，评估了其性能。天线增益从所有频率约2 dB增加到约8 dB。辐射方向图在0度方向表现出定向辐射。频率响应和天线增益的测量结果与仿真结果接近。凭借优越的特性和紧凑的尺寸，所提出的超材料反射器可应用于多频带5G及其他现代天线系统。

论文解读：一种采用双叉指结构与三节阶跃阻抗技术的亚波长多频带阻超材料反射器

现代无线通信技术正朝着设备小型化、多频段工作、高数据速率和大容量方向发展。天线作为无线通信系统的关键部件，其研究重点包括尺寸缩减、合适的带宽以避免邻频干扰、多频段工作以及增益提升以增加通信距离。然而，现有天线虽然支持多频段并能在较高谐振频率下保持紧凑尺寸，但辐射方向图常出现主瓣分裂，导致辐射角度和方向难以有效控制。同时，即使采用某些反射器进行增益增强，主瓣分裂问题依然存在。此外，天线与反射器之间的间距通常需保持约λ/4以在反射后实现相位增强，这限制了天线剖面的进一步降低。超材料具有区别于天然材料的电磁特性，例如负介电常数（ENG）和负磁导率，可增强电磁波反射。已有研究尝试通过超材料实现单元小型化，但单元尺寸仍较大，且增益提升效果有限。为此，研究人员在《Electronics》期刊上提出了一种采用双叉指（double interdigital）结构与三节阶跃阻抗（tri-section step-impedance）技术的亚波长多频带阻超材料反射器，旨在解决上述问题。

研究人员设计并制备了基于FR-4印制电路板的超材料反射器，其单元结构结合双叉指电容负载与三节阶跃阻抗传输线，实现了三个可准独立调谐的带阻谐振频率，分别位于1.8 GHz、2.6 GHz和3.5 GHz。通过增加电容负载增强慢波效应，单元传输线尺寸从传统λ/2缩减至λ/16。在单元背面引入采用三节阶跃阻抗技术设计的杆（ROD）结构，使三个谐振频率下均产生左手电流，从而使单元呈现负介电常数和正磁导率，增强了对电磁波的反射。将14×14单元排列成超材料反射器，与相应频率的单频偶极子天线集成后，天线增益从约2 dB提高到约8 dB，辐射方向图指向0°。实测结果与仿真结果接近，验证了该反射器在紧凑尺寸下实现多频带高增益的可行性。

主要关键技术方法包括：传输线末端连接双叉指结构，形成高电容负载并增强慢波效应，从而大幅缩小物理尺寸；采用三节阶跃阻抗技术，通过各段阻抗差异控制第二和第三谐振频率，实现三频带阻谐振的准独立调谐；在基板背面设置采用三节阶跃阻抗的ROD结构，产生左手电流，使单元获得负介电常数和正磁导率；利用等效电路模型计算电容、电感及谐振条件，并基于S参数提取有效电磁参数；通过全波电磁仿真优化几何参数；制作14×14阵列原型并在微波暗室中进行测量。研究使用FR-4基板，介电常数4.4，厚度1.6 mm，铜厚0.035 mm，损耗角正切0.02。

**2.1 多频带阻超材料单元设计**：研究人员通过仿真分析叉指数量对电容负载和谐振频率的影响，确定外叉指数N=6、内叉指数n=11，使三个带阻谐振频率因电容增加而向低频移动；随后利用三节阶跃阻抗的阻抗比，调整第二和第三谐振频率至目标值。在完美电导体（PEC）和完美磁导体（PMC）边界条件下，仿真S参数显示带阻谐振（奇模）位于1.8、2.6和3.5 GHz，通带谐振（偶模）位于2.10和3.10 GHz。提取有效参数表明，在带阻频段内，介电常数呈现负值（在1.8、2.6、3.5 GHz处分别达到?629、?343.17和?21.62），磁导率保持正值（分别为6.288、2.63和5.83）。表面电流分布显示，三个谐振频率下ROD结构均产生左手电流，验证了负介电常数特性的来源。与传统开环单元相比，所提单元尺寸从约λ/2减小至λ/16，并支持三频带阻。

**2.2 多频带阻超材料反射器阵列单元设计**：将所提单元排成14×14阵列，反射器整体尺寸为161.7 mm×148 mm。设计了三个分别工作于1.8、2.6和3.5 GHz的单频偶极子天线，天线沿X轴放置，与反射器间距分别为24.15 mm、20.96 mm和17.15 mm，均小于λ/4。仿真结果显示，集成后天线在三个频率均保持回波损耗（S11）低于?10 dB，增益分别达到8.23、8.19和8.21 dB，辐射方向图主瓣指向0°或2°。相比之下，使用传统反射器时天线增益仅为6.41、5.23和5.78 dB，且所需天线-反射器间距约为λ/4。这表明负介电常数和正磁导率特性有助于减小间距并提升增益。

**3 测量与结果**：研究人员制作了反射器原型和三种偶极子天线，并在微波暗室中进行测量。实测S11在所有谐振频率均低于?10 dB，带宽分别为460 MHz（1.8 GHz）、350 MHz（2.6 GHz）和700 MHz（3.5 GHz），与仿真结果基本一致。实测增益在XZ和YZ平面分别为7.74/7.62 dB（1.8 GHz）、7.86/7.84 dB（2.6 GHz）、7.63/7.71 dB（3.5 GHz），交叉极化水平很低。与传统反射器提供的约5–6 dB增益相比，所提反射器显著提升了天线增益，且单元尺寸和反射器整体尺寸更紧凑。

**4 结论**：研究人员提出了一种采用双叉指与三节阶跃阻抗技术的多频带阻超材料反射器。该单元可准独立调谐三个带阻谐振频率，分别位于1.8、2.6和3.5 GHz。双叉指结构产生的电容负载影响所有谐振频率的移动，而三节阶跃阻抗负责精确分离各频率。由于电容负载显著增加，单元尺寸缩小至约λ/16。背面三节阶跃阻抗ROD结构使三个频率均出现左手电流，从而获得负介电常数和正磁导率。14×14阵列构成的反射器整体尺寸紧凑，与相应偶极子天线集成后，仿真和实测增益均从约2 dB提升至接近8 dB。该多频带、紧凑型和高增益反射器有望用于未来5G/6G、雷达和卫星通信系统。然而，该研究未在系统层面评估5G/6G通信性能、雷达探测距离和卫星传输距离的改善，这些有待未来研究。