随着5G和物联网的不断发展，人们对更高速率并且可靠的通信链路的需求显著提高。同时，天线作为通信系统中的关键部件发挥着愈加重要的作用。现代天线应该具有紧凑尺寸、低剖面和宽带宽的特点，同时辐射方向图需要具备足够的增益。近些年，大规模MIMO和波束赋形阵列等多天线技术给天线设计带来了极大的挑战。例如阵元之间的高隔离和波束控制能力。一般来说，天线由导体、电介质和具有特定几何形状的其他常规材料组成。天线设计一般遵循传统的分析方法和经验法则，或者利用强大的电磁仿真软件调整参数以此获得尽可能高的性能。很明显，天线设计主要集中在确定传统材料的最佳几何形状上，因此它受到材料特性的约束。故在不断研究当中，具有独特性能的超材料获得了关注。值得注意的是，尽管超材料是由传统材料（导体+电介质）组成，但因为其周期性结构而导致电磁特性完全不同。因此，将超材料用于天线设计可以实现创新设计和更多的设计灵活性。因此，研究超材料天线对无线通信的发展具有重要的意义。
超材料是一种人造材料，具有与传统材料（介电常数和磁导率>0）不同的电磁特性。根据介电常数和磁导率的取值，将对应的超材料进行分类。
1、具有负介电常数（ENG）或负磁导率(MNG)的单负超材料；2、同时具有负介电常数和负磁导率的双负超材料(DNG)；
3、具有零介电常数和零磁导率的零折射率材料（ZIM）。
值得注意的是，EBG（电磁带隙）结构和AMC（人工磁导体）也通常被视为超材料的范畴。1968年，前苏联的Veselago在他的文章中首次系统地讨论了电磁波在双负材料中的传播特性，但双负材料一直没有被实验证实。直到1996年，英国的Pendry利用周期排列的金属线实现了负介电常数，如图1所示。这种结构是等离子体在较低频率下的对应。众所周知，自然界不存在具有负磁导率的材料。之后，Pendry再次提出了如图2的裂环谐振结构（SRR），其在谐振频率附近表现出负磁导率的特性。在垂直与SRR表面外部时变磁场的激励下，在导电内环和外环上同时感应出电流，并且电荷在两环之间的间隙上累积。此外，SRR是亚波长谐振器，典型尺寸为波长的十分之一。谐振环的等效电路公式如下：
双负超材料可以通过单负超材料（ENG和MNG）组合而成，最早由Smith等人在2000年由金属线和SRR的复合结构发现，如图3所示。SRR的谐振频率被调谐低于细线的等离子体频率，从而同时实现了负介电常数和负磁导率。
另外一种实现DNG的方法来自传输线（TL）理论。当忽略介质损耗和导体损耗时（相当于并联导纳和串联电阻），传统的右手传输线由串联电感和并联电容组成。当额外引入串联电容和并联电感，原本右手传输线色散特性发生改变，这种类型的传输线称之为复合左右手传输线（CRLH），如图4所示。
该传输线的色散曲线如图5所示，其中PRH和PLH代表纯的右手传输线和纯左手传输线。左边代表传播常数为负的区域，右边代表传播常数为正的区域。中间存在一个频率带使传播常数为0，并且可以通过阻容感的值来消除这个频率带。这种情况被称为平衡态，因为其提供了左右手区域的平滑过渡。谐振频率由下式可得。
显然，当传播常数为0时，导波波长将会变得无限大。在LH区域（图左），CRLH TL表现出负折射率特性。因此，这种类型的TL也被称为负折射率（NRI）的传输线或超材料传输线。
图5 CRLH TL、纯左手（PLH）TL和纯右手（PRH）TL的色散图。图6给出了基于分布式元件的CRLH的示例，其中微带线周期性加载串联电容（折线结构）和并联电感（接地短截线）。
与理想电导体（PEC）不同，理想磁导体（PMC）具有对入射平面波同相位反射的特性。当作为天线的反射面时，入射波与反射波的场强会同相叠加，上半空间的辐射特性被明显加强。1999年，美国学者D.Sievenpiper在研究蘑菇型EBG结构时，发现该结构具有高阻抗表面（HIS）的电磁特性。在特定频率范围内具有很高的阻抗特性，能够对入射平面波产生同相位反射特性，因此，这种EBG结构又被称人工磁导体（AMC）。一般来说，AMC有用带宽为反射相位在±90°之间的频段。一些典型的AMC单元结构如图7所示。
电小天线因其小尺寸和低剖面而受到极大关注，这使其成为手机、可穿戴设备、机载设备和物联网设备的首要选择，当天线尺寸和对应波矢量K的乘积小于1或0.5时，一般认为其属于电小天线。电小天线尺寸小，但是其辐射效率和带宽会降低，不不一定是有效的辐射器。因此面临的主要挑战就是小型化和高性能之间的矛盾。传统的小型化技术包括使用集总元件、短路针或者高介电常数介质基板。然而，这些方法会恶化天线的辐射性能。为此，引入了基于超材料的小型化天线来克服此类限制并增强天线辐射特性。在研究基于超材料的小型化天线及其特性之前，有必要深入了解小型化天线的一些有用的定义和限制。品质因数Q值等于谐振电路中所储存的能量与每一个周期内消耗的能量之比的2π倍。Q 值越大，通频带宽度就越窄，电路的选择性能越好。全向天线的最小Q值是Chu limit：
K为天线波数，α为天线尺寸。式1是用于线极化，式2用于圆极化。Q值与天线带宽成反比（BW≈1/Q），这表明随着天线尺寸的减小，天线带宽也会急剧减小。一般来说，只有当天线的电流分布充分利用包围它的最小球体时，相应的带宽才会达到chu limit。所以，天线需要仔细设计其几何形状，使相应的电流分布产生最大的带宽。超材料及其独特的特性被认为是一种很有前途的解决方案，可以达到小型化天线的极限。Ziolkowski等人采用理论化的方法，研究了被ENG壳层包围的亚波长偶极子的性能。其主要思想是，由ENG外壳引入的电感补偿了短电偶极子的自身的电容性，并允许使用适当阻抗匹配，如图7所示。结果表明，设计高性能的电小天线在理论上是可行的，但在实际情况下，ENG壳具有色散特性，与无色散情况相比，性能更差。另一种天线小型化方法来自超材料传输线。平衡CRLH TL（LH和RH区域之间没有带隙）在传播常数β（ω0）变为零时表现出无限长的导波波长（λg=∞）。这可以实现任意天线尺寸，因为谐振频率与物理体积无关，仅取决于单元格的LC值。因此，可以实现显著的尺寸减小。这种类型的天线被称为零阶谐振器（ZOR）。该方法在天线设计中中得到了利用，其中通过利用图6的级联单位单元实现了61%的尺寸减小（与传统谐振器相比）。类似地，图9中提出了长度为λ/6的天线。在图10中，在标准贴片天线上蚀刻两个CSRRs(互补开口谐振环)缝隙，并在其下方放置AMC或RIS（电抗性阻抗表面）。CSRR辐射性能较差，其缝隙辐射远场相互抵消，导致天线效率低。此外，RIS存储磁能并增加天线的电感，这导致频率进一步降低。贴片尺寸为0.099λ×0.153λ，而获得的效率和增益分别为4.7%和-0.1dBi。
在图11中展示了一种双频段小型化微带天线。该天线加载有交指型电容器和电感槽，并且在2.45GHz下具有1/13.3λ0×1/21.4λ0的极小尺寸。当无负载的天线在5.8GHz谐振时，超材料加载（T形槽与交指型电容器组合）在较低频率下产生额外的辐射模式。在低频段测得的效率为64%，带宽为90 MHz。最有效的小型化天线之一如图12所示。辐射单元是一个矩形贴片，由标准微带线馈电。在天线下方放置了一个电LC（ELC）结构，实现了三频工作（2.5/3.5/5.8 GHz），效率超过90%，天线尺寸为λ/6×λ/10。
以上提出的设计中的大多数严重依赖于超材料谐振器（例如，SRR、CSRR、ELC）和辐射器耦合来实现小型化。显然，单元谐振器不能提供负的介电常数或磁导率。因此，这些方法可以被认为等效于嵌入在天线结构（其本质上是RLC谐振器）中的电容性和电感性负载，而不是ENG或MNG负载。这种方法是合理的，因为如若为了合成有效的ENG、MNG或DNG等，应组合多个单元而导致尺寸立即增加，这与小型化设计目标相悖。虽然超材料由于其表现出负本构参数的能力而受到关注，但在大多数小型天线的设计中并未利用该特性。从不同的角度来看，诸如AMC和RIS的超颖表面也用于天线小型化。增益是天线最重要的辐射指标之一，特别是在固定点对点通信和雷达系统中。具有高增益天线能够增加通信范围和减小干扰，天线的方向性与其口径成正比，因此部署多个天线阵元的电大天线和阵列天线是实现高增益的一般手段。天线的高方向性和和尺寸之间的关系禁止将电小天线用于需要高增益的应用，所以紧凑的尺寸和高增益之间存在矛盾和挑战性。在过去几年中，已经提出了超材料天线罩和透镜作为有前景的低成本替代方案，用于提高增益而不显著影响天线体积。这些结构放置在辐射元件上方，并通过与辐射器附近的电磁场相互作用来改变其辐射远场方向图。有三种主要的基于超材料的技术能够提升增益：a、放置ZIM（零折射率材料）或NZRI（近零折射率）材料作为天线覆盖层。c、在天线辐射前方放置GRIN（梯度折射率）透镜。NZRI材料的折射率n接近于零，其可由在工作频率下表现出零介电常数或零磁导率的超材料单元组成。对于n=0的超材料结构，根据斯涅尔定律，无论入射角度如何，透射波都将垂直聚焦于介质界面。当超材料介质的折射率接近于零时，其辐射波束会向非常接近法线的方向发生折射，如图13所示。当这种材料被用作天线罩时，这种将球形波转化为平面波的有趣特性可以转化为提高增益。如图14所示，一种由金属方环组成的覆盖层，其对角线由金属线相连接。金属方环在2.6GHz处表现为零介电常数，该NZRI覆盖层放置在两个工作在相同频率的微带贴片天线上方λ/12的高度处。贴片天线在保持低剖面的同时，使增益提高了3,4dBi。AMC在提高天线增益方面具有很大的潜力，其标准结构如图15所示。有学者设计了一种基于AMC的双频段天线，由带环形槽的方形贴片组成。AMC结构被放置在宽带贴片后λ/8的距离处，提升了增益达10dB，同时它也比相同尺寸的典型PEC反射器表现得更好。GRIN（梯度折射率）透镜以其聚焦电磁辐射并将球面波转换为平面波的能力而得到广泛应用。这通过折射率n（x，y，z）的逐渐变化来实现，其中x，y，z是笛卡尔坐标下坐标轴，其能够实现波束赋形。与传统透镜相比，GRIN透镜的一个优点是在给定足够的折射率分布的情况下，它们理论上可以实现任意几何形状的波准直。梯度折射率透镜最著名的分布是龙伯分布，如图16所示。图16 球面Luneburg透镜横截面的梯度折射率分布。GRIN透镜的另一个有趣的特性是，它们可以增强期望方向的辐射，而无论入射波的入射角如何，如图17所示。图17 不同入射角θ下球面波转换为准平面波（通过GRIN透镜）的示意图。天线单元由于系统的设计（例如，天线阵列阵元的典型λ/2元件间间距）或为了最小化结构的体积而紧密靠近放置。由于天线之间的电磁耦合而产生干扰。特别是对于印刷在同一PCB上的平面天线，表面波被认为是干扰的主要来源。表面波是TE或TM模式，其沿着天线的基底传播并在空气-电介质界面上衍射，如图18所示。a、中继器：中继的发射机和接收机中间的高隔离是必要的。b、雷达：调频连续波雷达的灵敏度会被发射机泄露到接收机中的相位噪声严重干扰。除非发射机和接收机充分解耦，否则信噪比会严重降低。
c、MIMO：天线单元间的互耦增加了接收信号相关性，因此会减小信道容量。d、波束赋形：密集排列天线阵中的单元间耦合会导致辐射方向图失真，从而降低波束控制能力。d、增加发射和接收天线之间的距离或在天线单元放置谐振结构。这些方法已被证明是有效的提高隔离度方法，但同时也导致系统的复杂性和体积增加，并限于特定的应用。如图19所示，报道了由两个在2.4GHz下工作的印刷单极子组成的紧凑型MIMO。两个天线之间的距离为λ/8，因此它们之间的耦合（S21和S12系数）只有5dB隔离度。他们首先观察结构的电场和电流分布，以找到电流一个天线流向另一个天线的路径。在此之后，他们在电场最大的位置放置了一个电容负载的分裂矩形回路（CLSRL），实现了超过30dB的隔离度。图19 用单个超材料CLSRL单元实现两个近距离微带天线的解耦。a、在给定的工作频率下，利用仿真软件找到一个天线到另一个天线之间power flow（功率流）最大的位置；
b、当只有一个天线被激励时，观察最大power flow最大位置的电场和磁场矢量；
c、选择一个可以在上一步中观察到的电场和磁场下工作的超材料单元。例如，SRR由垂直于其轴的磁场激发，而CSRRs由电场激发。优化单元的参数，以在期望的频率谐振和介电常数和磁导率的虚部最小时谐振，后者对于减少损耗是重要的。 例如，用于提取CSRR的参数的模拟设置在图20中示出。利用边界条件PEC（Perfect Electric Conductor）和PMC（Perfect Magnetic Conductor）来模拟电场垂直于CSRR轴的平面波入射。d、将优化的超材料单元放置在最大power flow的位置。隔离随着超材料单元数量的增加而改善，但是效率通常由于附加单元引起的更高的能量存储和损失而降低。
由于ESA表现出的局限性，它们的设计具有挑战性，需要在天线尺寸和性能（即带宽、效率）之间进行折中。虽然超材料被证明是有效的，可以通过实现新的谐振模式（即ZOR天线）来减小天线尺寸，但主要的挑战仍然没有改变。例如，超材料的窄带性质直接影响小型化超材料天线的带宽。此外，大多数设计都专注于通过利用超材料单元的谐振来减小尺寸，但整体天线性能并未优化。特别地，没有考虑超材料单元和天线的其余部分之间的相互作用。设计一个ESA与超材料加载可以是简单的，但实现整体良好的性能需要进一步的设计考虑，如馈电机制，超材料类型，单元的放置位置，天线的走线等，因此，我们得出结论，超材料会加速和帮助ESA的设计，但需要进一步的研究。 此外，理论公式将作为设计准则，以优化天线特性。显然，该领域还不成熟，尽管有一些超材料天线的好例子，但对工作原理的科学见解是有限的，设计主要依赖于电磁仿真。增益取决于两个主要参数：孔径效率和尺寸。已经提出了各种NZRI覆层和AMC表面用于增益改善，其中前者具有将能力聚焦在单个点上的能力，而后者充当反射器。GRIN透镜也已被报道，并在宽带宽上提供增加的增益。毫无疑问，这些方法的相应增益增加主要归因于孔径尺寸的增加（即，覆盖物、透镜和反射器具有比辐射器更大的尺寸）。然而，它们还提供更高的孔径效率，并且可以比传统反射器更靠近天线放置。此外，这种表面比在较高频率下需要极端表面光滑度的金属反射器更便宜且更容易制造。超材料是实现传统上通过组合不同电介质层实现的梯度折射率分布的极好替代方案。另一方面，基于NRZI和AMC的增益增强技术仅被应用于固定波束天线，并且它们与波束可调天线的集成尚未被研究。这是因为AMC和NRZI覆盖层将辐射聚焦到特定方向。只有GRIN透镜已经与波束可调天线集成，其中系统依赖于馈电天线的机械旋转或在具有不同取向的元件之间切换。这显然不太适合如今的发展，因为需要具有更快和自适应的的电子控制/扫描天线系统。此外，这种GRIN透镜通常不是平面的，因此不适合于需要低轮廓的许多应用。由于波束成形是现代无线通信中的关键技术，因此任何给定波束方向的增益的增加将进一步提高性能并导致接收器处的甚至更高的SNR。因此，自适应NRZI和AMC超表面和低剖面超材料GRIN透镜用于波束可调阵列的增益增强是一个有趣的研究课题。超材料提供了一个很好的充分去耦方案。事实上，它们既不增加尺寸，也不显著影响天线特性。尽管所实现的隔离水平被认为足以满足多种应用，但窄带宽也限制了其更进一步的应用。因此，利用超材料进行宽带解耦也成为了挑战之一。除此之外，多频段天线的超材料隔离也是迫切需要的，因为大多数超材料工作在单一频率。此外，这里讨论的大多数应用，仅考虑单个水平排列的天线对，不适用现在大规模MIMO的应用。同时，大多数关于隔离的工作都集中在通信系统的天线上，其中规格不太严格（即MIMO阵列通常为-20dB）。雷达的要求更高，需要尽可能高的发射机-接收机隔离度。
本文详细介绍超材料天线，并强调了它们的优点和缺点。详细讨论了超材料在电小天线、天线增益和隔离度增强方面的应用，并对超材料的研究现状进行了综述。设计权衡考虑和方法表明，超材料为未来的无线通信和雷达系统提供了令人兴奋的新机会。
【论文标题】Metamaterial-Inspired Antennas: A Review of the State of the Art and Future Design Challenges 【期 刊】IEEE Access 【作 者】Christos Milias et al
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