[论文解读] Patch antennas with new artificial magnetic layers

M.E. Ermutlu, Constantin Simovski+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2005

Advanced Antenna and Metasurface Technologies参考文献 10被引用 5

一句话总结

本文提出使用一种新型高阻抗表面（HIS）作为人工磁性材料（AMM），以实现贴片天线的微型化。通过用复合HIS层替代传统的介质基板，天线尺寸减少了约40%，同时保持了相近的4.35%阻抗带宽，证明了在不降低带宽的前提下实现了有效的尺寸缩小。

ABSTRACT

A new type of high-impedance surfaces (HIS) has been introduced by C.R. Simovski et al. recently. In this paper, we propose to use such layers as artificial magnetic materials in the design of patch antennas. The new HIS is simulated and patch antennas partially filled by these composite layers are measured in order to test how much the antenna dimensions can be reduced. In order to experimentally investigate the frequency behavior of the material, different sizes of the patches are designed and tested with the same material layer. Also the height of the patch is changed in order to find the best possible position for minimizing the antenna size. This composite layer of an artificial magnetic material has made the antenna smaller while keeping the bandwidth characteristics of the antenna about the same. About 40% of size reduction has been achieved.

研究动机与目标

• 研究新开发的高阻抗表面（HIS）作为人工磁性材料（AMM）在贴片天线微型化中的应用。
• 评估AMM层在不同贴片尺寸和高度下的频率相关行为。
• 通过实验验证HIS层在真实世界贴片天线原型中实现尺寸缩小的潜力。
• 对比仿真与实测性能，确认AMM在不降低带宽的前提下实现天线尺寸缩小的有效性。

提出的方法

• 设计并仿真不同贴片尺寸（30×30 mm至60×60 mm）和高度（4 mm和6 mm）的贴片天线，其位于接地面之上。
• 在天线腔体内部分填充3 mm厚的人工磁性材料层（基于高阻抗表面结构）。
• 使用IE3D和FDTD电磁仿真工具，对同时采用各向同性磁电介质材料和实际AMM结构的天线响应进行建模。
• 通过比较AMM填充天线与均匀填充天线之间的谐振频率偏移，计算等效有效磁导率值。
• 制作并测量一个40×40 mm的贴片天线，分别在4 mm和6 mm高度下，且AMM层与贴片尺寸匹配。
• 对比仿真与实测的回波损耗，以验证微型化天线设计的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 作为人工磁性材料（AMM）的高阻抗表面（HIS）能否有效缩小贴片天线的尺寸？
• RQ2 在相同激励条件下，AMM层的有效磁导率与均匀各向同性磁性材料相比如何？
• RQ3 在使用AMM层时，贴片尺寸和高度对谐振频率与带宽有何影响？
• RQ4 与传统的空气填充天线相比，AMM层在微型化贴片天线中能多大程度上保持带宽？
• RQ5 IE3D和FDTD仿真结果与AMM填充天线的实验测量结果在多大程度上吻合？

主要发现

• 通过使用人工磁性材料层，实现了40%的贴片天线尺寸缩小，0.38λ的天线实现了与传统0.5λ空气填充天线相同的谐振频率。
• 微型化天线的6-dB阻抗带宽实测为4.35%，与标准0.5λ空气填充贴片天线相当。
• AMM层的有效相对磁导率估计值为：30×30 mm贴片时为2.43，50×50 mm贴片时为1.725，表明其具有强烈的磁响应。
• 仿真与实测的回波损耗响应表现出良好一致性，验证了FDTD和IE3D模型在AMM基天线设计中的准确性。
• 人工磁性层即使在距离接地面极近的距离下也能实现有效的电磁耦合，支持低轮廓天线工作。
• AMM层表现出频率相关行为，其有效磁导率随贴片尺寸和谐振频率变化，证实了其非均匀激励与空间色散效应。