负折射率超构材料（NIM）是一种人工结构，能够以超越天然材料的方式操纵电磁波。特别是它们可以表现出的负值有效介电常数和磁导率。因此，它们能使电磁波向与正常材料相反的方向弯曲。NIM有望被集成到5G毫米波接入点和未来的6G通信系统中，特别是用于实现可重构智能表面（RIS）和太赫兹天线。RIS是一种超构材料薄层，可以反射或折射信号，从而增强城市地区的信号覆盖范围和性能。此外，在0.1-10 THz频率范围工作的太赫兹天线预计将用于6G通信，这些天线将以超构材料为基础。这些人工结构有助于克服该频率范围内与高路径损耗、低功率和有限带宽相关的挑战。
负折射率效应
NIM已经在天线设计中展现了很多应用，尤其是在波束控制、增益增强、波前整形和可重构性方面。已有许多研究人员研究了利用超构材料增强天线增益。尽管取得了一些进步，但大多数已报道的涉及NIM的天线系统仍存在各种各样的局限性。有些提出的结构体积庞大，有些设计的几何形状非常复杂，通常采用多层结构，因此难以制造。此外，将单个天线扩展到阵列系统具有挑战，而且很难将器件调谐到更高的频段。
研究人员制作的阵列原型：（a）2 × 2阵列；（b）超构单元层；（c）带有四个端口的2 × 2阵列；（d）具有N-MTM的2 × 2天线阵列系统。
据麦姆斯咨询介绍，为了解决上述现有问题，冰岛雷克雅未克大学的研究人员开发并实现了一种新型NIM，可应用于毫米波通信系统。其亚波长尺寸的超构单元被刻印在介电材料薄层的两侧。经过分析，证明了它们具有负的有效介电常数和负的有效磁导率。将两层超构单元扩展成一个5 × 5阵列，并作为一种超级衬底置于传统微带贴片天线（MPA）上方。利用这种配置，可以观察到MPA的增益显著增强。
为了进一步研究，研究人员还将NIM阵列置于一个2 × 2的MPA阵列上方。结果表明，在共振频率为28 GHz时，NIM层可将阵列元件的E平面增益提高约7.55 dB，H平面增益提高约7.25 dB。整个系统的总尺寸仅为5.71λ × 3.18λ × 1.5λ，λ为自由空间波长。这些结果表明，本研究所提出的NIM可用于实现小尺寸多天线系统。与当前最先进设计的比较分析，证实了所提出结构的性能具有竞争力，同时还具有几何简洁、体积小的附加优势。还需强调的是，利用负折射率材料来提高传统MPA阵列增益的方法在之前的文献中还未得到证实。
电波暗室中具有N-MTM的2 × 2天线阵列系统测量装置
总结来说，本研究所提出的NIM天线设计有望应用于多种领域，包括5G毫米波接入点、可重构智能表面、成像传感器和医疗器械等。通过增强天线的指向性，旨在优化蜂窝基站的信号传输和接收，从而提高网络效率，改善用户体验。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41598-024-67234-z
延伸阅读：
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