基于超表面的寬帶低剖面圓極化天線設(shè)計(jì)

謝　開(kāi)，高　軍，曹祥玉，高寬亮

(空軍工程大學(xué) 信息與導(dǎo)航學(xué)院，　西安 710077)

?

·天饋伺系統(tǒng)·

基于超表面的寬帶低剖面圓極化天線設(shè)計(jì)

謝開(kāi)，高軍，曹祥玉，高寬亮

(空軍工程大學(xué) 信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安 710077)

設(shè)計(jì)并制備了一種基于超表面的寬帶低剖面圓極化天線。該天線由上下兩層構(gòu)成，下層是傳統(tǒng)的線極化縫隙微帶天線，上層是由方形切角單元構(gòu)成的超表面。分析了超表面將線極化波轉(zhuǎn)換成圓極化波的工作原理，并對(duì)影響天線圓極化帶寬的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。仿真結(jié)果表明：加載超表面后，不僅使天線輻射圓極化波，還擴(kuò)展了天線的阻抗帶寬，天線相對(duì)阻抗帶寬達(dá)到17%，3 dB軸比帶寬達(dá)到7.2%。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性，加工、測(cè)試了天線實(shí)物樣品，并與仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，說(shuō)明該天線具備寬帶圓極化特性。最終天線整體尺寸僅為0.4λ×0.4λ×0.03λ,天線的剖面較低，非常有利于與載體共形的應(yīng)用。

超表面；縫隙微帶天線；低剖面；寬帶；圓極化天線

0　引　言

近年來(lái)，隨著無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展,無(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)天線的性能要求越來(lái)越高，單純的線極化天線已無(wú)法滿足通信需求。因此，具備圓極化特性的天線越來(lái)越受重視。圓極化的微帶天線具有剖面低、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可與載體共形、易于有源器件集成等優(yōu)點(diǎn)，在衛(wèi)星通信、導(dǎo)航系統(tǒng)、遙感遙測(cè)和電子對(duì)抗中被普遍使用[1-3]。

微帶天線的圓極化帶寬參數(shù)常用小于-10 dB的阻抗帶寬和小于3 dB的軸比帶寬來(lái)描述。目前，單層微帶天線實(shí)現(xiàn)圓極化的方法有單點(diǎn)饋電法和多點(diǎn)饋電法。其中，單層單點(diǎn)饋電的圓極化微帶天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需額外的饋電網(wǎng)絡(luò),但圓極化帶寬較窄，3 dB軸比帶寬通常只有3%左右[4]。多點(diǎn)饋電圓極化微帶天線具有較寬的阻抗帶寬和軸比帶寬、交叉極化低等優(yōu)點(diǎn)，但需要使用饋電網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)相位差，且結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，增加了天線的剖面高度[5]。因此,如何展寬微帶天線圓極化帶寬的同時(shí)保持天線的低剖面性成為了目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

近年來(lái)超材料發(fā)展迅猛，特別是2011年，美國(guó)哈佛大學(xué)的Capasso所領(lǐng)導(dǎo)的課題組[6-7]提出了超表面的概念，為實(shí)現(xiàn)低剖面的寬帶圓極化微帶天線提供了一種新的途徑。超表面基于亞波長(zhǎng)微結(jié)構(gòu)在二維平面的規(guī)則或非規(guī)則排布，是超材料的二維平面情形[8]，由于其亞波長(zhǎng)及相位調(diào)制的特性，超表面能夠在很小的尺度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)電磁波的極化調(diào)制和傳播控制，便于微波器件、隱身材料和天線的小型化設(shè)計(jì)。因此，超表面在實(shí)現(xiàn)低剖面的寬帶圓極化微帶天線方面具有很廣泛的應(yīng)用前景[9-11]。文獻(xiàn)[10]將超表面放置在線極化天線上方，實(shí)現(xiàn)了線極化天線到圓極化天線的轉(zhuǎn)化，但是設(shè)計(jì)的天線軸比帶寬較窄，只有5.6%；文獻(xiàn)[11]將超表面圍繞縫隙天線中心正上方旋轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)了一種極化可重構(gòu)天線，但是設(shè)計(jì)的天線剖面較高，達(dá)到0.9λ。

結(jié)合文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]，本文設(shè)計(jì)了一種基于超表面的寬帶低剖面圓極化天線，相較于文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]，擴(kuò)展了天線的軸比帶寬，降低了天線的剖面高度。通過(guò)將超表面放置在源天線即縫隙微帶天線之上，分析了該超表面實(shí)現(xiàn)圓極化的機(jī)理，并對(duì)影響天線圓極化帶寬的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明：天線相對(duì)阻抗帶寬擴(kuò)展了一倍，達(dá)到了17%，3 dB軸比帶寬達(dá)到7.2%，拓展了天線的工作帶寬。最終，天線整體尺寸經(jīng)過(guò)優(yōu)化后僅為0.4λ×0.4λ×0.03λ，天線剖面較低，非常有利于與載體共形的應(yīng)用。

1　天線結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

如圖1所示，該天線由上下兩層構(gòu)成。下層是源天線即縫隙微帶天線，上層是加載的超表面。下層介質(zhì)板的下表面開(kāi)有矩形的耦合縫隙，縫隙長(zhǎng)sl=21.1 mm，寬sw=2.5 mm；下層介質(zhì)板的上表面是一個(gè)矩形金屬輻射貼片，輻射貼片長(zhǎng)fl=24.5 mm，寬fw=2.5 mm，縫隙和貼片相距fy=2mm；采用同軸線背面饋電，饋電圓半徑p=1.5 mm。超表面是在上層介質(zhì)板的上表面由相同方形切角單元構(gòu)成，方形單元邊長(zhǎng)a=10.8 mm，切角長(zhǎng)度b=3.5 mm，單元之間間距c=0.42 mm；由于該單元結(jié)構(gòu)對(duì)稱，參數(shù)尺寸少，因此便于優(yōu)化。本文所設(shè)計(jì)天線上下兩層介質(zhì)均采用厚度h=2mm，整體尺寸為T×T=50 mm×50 mm，介電常數(shù)為9.6的微波復(fù)合介質(zhì)TP-2,中心工作頻率設(shè)計(jì)為2.49 GHz，工作于此頻段的天線可工作在“北斗”頻段[12]。可以明顯看出，最終天線整體尺寸僅為0.4λ×0.4λ×0.03λ(λ為中心工作頻率2.49 GHz所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng))，天線剖面較低，非常有利于與載體共形的應(yīng)用。

圖1　天線結(jié)構(gòu)圖

2　理論分析

如圖2所示，由于縫隙天線沿y軸是線極化，當(dāng)超表面放在縫隙天線上時(shí)，超表面的電場(chǎng)E是沿y軸方向變化?？蓪⒊砻骐妶?chǎng)E分解成兩個(gè)正交的分量E1與E2。當(dāng)單元沒(méi)有切角時(shí)，由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，正交分量E1與E2的等效電路可以認(rèn)為是相同RLC電路[11]。電路的阻抗為

(1)

式中：R和L分別為每塊貼片的電阻及電感值；C為由鄰近兩個(gè)對(duì)角單元之間縫隙產(chǎn)生的電容。當(dāng)單元有切角時(shí)，E1和E2等效電路中的阻抗將發(fā)生變化，不再為相同RLC電路。

(2)

(3)

圖2　超表面單元結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖

3　仿真與參數(shù)優(yōu)化

3.1對(duì)阻抗帶寬的優(yōu)化

為實(shí)現(xiàn)圓極化微帶天線的寬帶圓極化特性，需要對(duì)縫隙天線的各尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。本文采用基于有限元的AnsoftHFSS15.0軟件對(duì)天線進(jìn)行仿真與優(yōu)化。通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)，耦合縫隙寬邊sl、耦合縫隙窄邊sw、饋電點(diǎn)參數(shù)p對(duì)天線阻抗帶寬，即反射系數(shù)S11的影響比較明顯，如圖3所示。隨著參數(shù)sl的減小，天線的阻抗帶寬增加，中心頻率向高頻移動(dòng)；隨著參數(shù)sw的減小，天線的阻抗帶寬基本保持不變，中心頻率向低頻移動(dòng)；隨著參數(shù)p的減小，天線的阻抗帶寬略有減小，中心頻率向高頻移動(dòng)。經(jīng)分析，是由于改變耦合縫隙寬邊sl、窄邊sw、饋電點(diǎn)參數(shù)p會(huì)影響天線的阻抗匹配，從而改變天線的諧振頻率和阻抗帶寬。因此，可以通過(guò)調(diào)節(jié)天線尺寸的三個(gè)參數(shù)sl，sw，p來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)天線阻抗帶寬的優(yōu)化。

圖3　天線參數(shù)對(duì)阻抗帶寬的影響

3.2對(duì)軸比帶寬的優(yōu)化

通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)，超表面的三個(gè)主要參數(shù)對(duì)天線軸比性能的影響較為明顯,分別是超表面的輻射單元長(zhǎng)度a、切角邊長(zhǎng)b，以及單元間距c，如圖4所示。

圖4　天線參數(shù)a,b,c對(duì)軸比帶寬的影響

可以看出，隨著參數(shù)a的增加，天線的軸比帶寬略有減小，中心頻點(diǎn)向低頻移動(dòng)；隨參數(shù)b的增加，軸比帶寬略有減小，中心頻點(diǎn)向高頻移動(dòng)；隨著參數(shù)的c的增加，軸比帶寬基本保持不變，中心頻點(diǎn)向低頻移動(dòng)。經(jīng)分析，是由于改變超表面的三個(gè)參數(shù)可以改變超表面等效電路的等效阻抗，從而改變縫隙微帶天線加載超表面后的軸比帶寬。因此，可通過(guò)調(diào)節(jié)超表面單元的三個(gè)參數(shù)a，b，c來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)天線軸比帶寬的優(yōu)化。

同時(shí)，由于實(shí)際應(yīng)用中圓極化天線需具備寬入射角特性，需考慮不同入射角度θ對(duì)軸比帶寬的影響。在天線各參數(shù)值的基礎(chǔ)上，圖5給出了在xoz面和yoz面不同入射角度下軸比帶寬的變化情況。可以看出，隨著xoz面入射角度θ的增大，軸比帶寬基本不變；隨著yoz面入射角度θ的增大,軸比帶寬略有減小。因此，設(shè)計(jì)的加載超表面的圓極化天線具備寬入射角特性，對(duì)入射波的角度不敏感。

圖5　xoz面和yoz面不同入射角度θ對(duì)軸比寬帶的影響

4　實(shí)測(cè)分析

圖6為加工的天線實(shí)物和測(cè)試圖。圖7、圖8、圖9分別為天線阻抗帶寬、軸比帶寬以及增益的仿真和測(cè)試結(jié)果。從圖7中可以看出，單獨(dú)的縫隙天線阻抗帶寬(S11<-10dB)為2.40GHz～2.59GHz，加載超表面后的仿真阻抗帶寬大幅增加，相較源天線帶寬擴(kuò)展了一倍，為2.14GHz～2.55GHz，實(shí)測(cè)阻抗帶寬為2.22GHz～2.62GHz，相對(duì)阻抗帶寬均達(dá)到17%。加載超表面后阻抗帶寬的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果存在微小偏差，經(jīng)分析是由于加工精度誤差等原因?qū)е?。從圖8中可以看出，加載超表面后仿真3dB軸比帶寬(AR<3dB)為2.40GHz～2.58GHz，中心頻率為2.49GHz，實(shí)測(cè)3dB軸比帶寬為2.39GHz～2.57GHz，相對(duì)軸比帶寬均達(dá)到7.2%, 仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果非常吻合。從圖9中可以看出，天線在圓極化工作帶寬內(nèi)主極化，即右旋圓極化的仿真和實(shí)測(cè)增益均大于5dB，而交叉極化，即左旋圓極化均在-10dB以下，說(shuō)明該天線的極化純度較好。

圖6　天線實(shí)物及測(cè)試

圖7　天線阻抗帶寬

圖8　天線軸比帶寬

圖9　天線增益

5　結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于超表面的寬帶低剖面圓極化天線，天線包括下層縫隙微帶天線及上層超表面。仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明：天線中心工作頻率為2.49GHz，相對(duì)阻抗帶寬達(dá)到17%，3dB軸比帶寬達(dá)到7.2%，具有較寬的阻抗及軸比帶寬，在工作頻帶內(nèi)增益穩(wěn)定性較好，具備良好的寬帶圓極化特性，天線整體尺寸僅為0.4λ×0.4λ×0.03λ,天線剖面較低，非常有利于與載體共形的應(yīng)用。

[1]NESICAD,NESICD.Printedplanner8×8arrayantennawithcircularpolarizationformillimeterwaveapplication[J].IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters, 2012(11): 744-747.

[2]DUS,CHUQX,LIAOW.Dual-bandcircularlypolarizedstackedsquaremicrostripantennawithsmallfrequencyratio[J].JournalofElectromagneticWavesandApplications, 2010, 24(11):1599-1608.

[3]鐘順時(shí). 微帶天線理論與應(yīng)用[M]. 西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 1991.

ZHONGShunshi.Theoryandapplicationofmicrostripantenna[M].Xi′an:XidianUniversityPress, 1991.

[4]RAOPN,SARMANVSN.Fractalboundarycircularlypolarizedsinglefeedmicrostripantenna[J].ElectronicsLetters, 2008, 44(12): 713-714.

[5]ZHANGZY,LIUNW,ZHAOJY,etal.Widebandcircularlypolarizedantennawithgainimprovement[J].IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters, 2013(12): 456-459.

[6]YUNF,GENEVETP,KATSMA,etal.Lightpropagationwithphasediscontinuities:generalizedlawsofreflectionandrefraction[J].Science, 2011,334(6054): 333-337.

[7]NIXJ,EMANINK,KILDISHEVAV,etal.Broadbandlightbendingwithplasmonicnanoantennas[J].Science, 2012, 335(6067): 427.

[8]HOLLOWAYCL,KUESTEREF,GORDONJA,etal.Anoverviewofthetheoryandapplicationsofmetasurfaces:thetwo-dimensionalequivalentsofmetamaterials[J].IEEEAntennasandPropagaationMagazine, 2012, 54(2): 10-35.

[9]ZHUHL,CHUNGKL,SUNXL,etal.CPmetasurfacedantennasexcitedbyLPsources[C]//Proceedingsofthe2012IEEEInternationalSymposiumonAntennasandPropagation.Chicago,IL:IEEEPress, 2012: 1-2.

[10]ZHUHL,CHEUNGSW,CHUNGKL,etal.Linear-to-circularpolarizationconversionusingmetasurface[J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation, 2013, 61(9): 4615-4623.

[11]ZHUHL,CHEUNGSW,CHUNGKL,etal.Designofpolarizationreconfigurableantennausingmetasurface[J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation, 2014, 62(6): 2891-2898.

[12]譚述森. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展與思考[J]. 宇航學(xué)報(bào)，2008, 29(2): 391-396.

TANShusen.Developmentandthoughtofcompassnavigationsatellitesystem[J].JournalofAstronautics, 2008, 29(2): 391-396.

謝開(kāi)男，1992年生，碩士。研究方向?yàn)槲炀€、圓極化天線、人工電磁材料等。

高軍男，1962年生，教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)樘炀€與電磁兼容、人工電磁材料等。

曹祥玉女，1964年生，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)橛?jì)算電磁學(xué)、天線與電磁兼容、電磁超材料等。

Design of a Wideband Low-profile Circularly Polarized Antenna Based on Metasurface

XIE Kai，GAO Jun，CAO Xiangyu，GAO Kuanliang

(Information and Navigation College, Air Force Engineering University,Xi′an 710071, China)

A wideband low-profile circularly polarized antenna design based on metasurface is proposed. The antenna consists of two layers, a metasurface composed of square units with truncated corners is placed on the top layer while using a traditional linearly polarized microstrip slot antenna as the other one. The metasurface′s operational principle of switching linearly polarized wave into circularly polarized wave is analyzed, and the parameters of the antenna are optimized according to their influence on the band parameters. Simulated results show that the antenna can radiate circularly polarized wave and its impedance bandwidth is broaden by loading metasurface. The relative impedance bandwidth and 3 dB axial ratio bandwidth can reach 17% and 7.2%, respectively. To verify the effectiveness of the antenna design, the prototype of antenna is fabricated and measured, and the measured results agree well with the simulation, which demonstrates the antenna's satisfying property of wideband circular polarization. The antenna is favorable for conformal applications as it keeps the 3D size of only 0.4λ×0.4λ×0.03λ.

metasurface；microstrip slot antenna；low profile；wideband；circularly polarized antenna

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.08.014

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61271100, 61471389, 61501494); 陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2012M8003)

高軍Email：gigi9694@163.com

2016-05-04

2016-07-14

TN821+.1

A

1004-7859(2016)08-0059-05