一種透射型線-圓極化轉(zhuǎn)換超表面設(shè)計(jì)

劉 雙 兵

（巢湖學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽 合肥 238000）

研究與試制

一種透射型線-圓極化轉(zhuǎn)換超表面設(shè)計(jì)

劉 雙 兵

（巢湖學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽 合肥 238000）

提出了一種單對(duì)角線開縫的方形單元構(gòu)成的透射型極化旋轉(zhuǎn)超表面，并將其應(yīng)用于寬帶圓極化微帶縫隙天線的設(shè)計(jì)中。采用等效電路法分析了超表面實(shí)現(xiàn)線-圓極化轉(zhuǎn)換的工作機(jī)制，并對(duì)天線圓極化帶寬的影響因素進(jìn)行了參數(shù)掃描。仿真結(jié)果表明：加載超表面使線極化微帶縫隙天線產(chǎn)生了圓極化輻射，同時(shí)擴(kuò)展了天線的阻抗帶寬。天線相對(duì)阻抗帶寬達(dá)到了33.2%，3 dB軸比帶寬達(dá)到了19.5%，在阻抗帶寬內(nèi)天線增益均高于6.8 dBi，表明新型超表面結(jié)構(gòu)具有良好的線-圓極化轉(zhuǎn)換特性。

極化轉(zhuǎn)換；超表面；寬帶；圓極化；微帶縫隙天線；軸比

超表面[1]（Metasurface）的概念自2011年被提出以來(lái)，因其具有異常反射和透射的新奇現(xiàn)象而備受關(guān)注。超表面是一種人工設(shè)計(jì)的亞波長(zhǎng)厚度的金屬結(jié)構(gòu)陣列，可以靈活調(diào)控反射或透射電磁波的幅度、相位和極化特性，在微波器件[2]、天線雷達(dá)散射截面（Radar Cross Section, RCS）縮減[3]和圓極化天線設(shè)計(jì)[4-8]等方面具有十分廣泛的應(yīng)用前景。

實(shí)現(xiàn)天線由線極化向圓極化轉(zhuǎn)換的超表面結(jié)構(gòu)有反射和透射兩種類型。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)出一種金屬斜線結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的反射型極化旋轉(zhuǎn)超表面，在8～12 GHz頻域內(nèi)實(shí)現(xiàn)極化旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了線極化微帶縫隙源天線的圓極化輻射。文獻(xiàn)[5]利用雙箭頭結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的反射型極化旋轉(zhuǎn)超表面作為反射板，設(shè)計(jì)了圓極化帶寬為2.4%的印刷偶極子天線。顯然，基于反射型超表面的圓極化天線的3 dB軸比帶寬通常較窄。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了帶有單對(duì)角微帶線的矩形環(huán)結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的透射型超表面，實(shí)現(xiàn)了微帶貼片天線和微帶縫隙天線的線-圓極化轉(zhuǎn)換，天線圓極化帶寬為7.7%。文獻(xiàn)[7]和[8]均采用方形切角金屬單元構(gòu)成的透射型超表面實(shí)現(xiàn)了微帶縫隙天線圓極化設(shè)計(jì)，圓極化帶寬分別達(dá)到了 20%和 7.2%。但文獻(xiàn)[6]和[7]中所設(shè)計(jì)圓極化天線的增益在軸比頻帶內(nèi)的高頻端有所惡化，天線增益特性不夠穩(wěn)定。文獻(xiàn)[9]和[10]分別提出一種方形和矩形金屬結(jié)構(gòu)超表面，用于擴(kuò)展天線的阻抗帶寬和圓極化帶寬，獲得了3 dB軸比帶寬分別為23.4%和16.5%的圓極化天線，但該類型超表面結(jié)構(gòu)并不具備線-圓極化轉(zhuǎn)換特性。

基于以上研究，本文首次提出了一種由單對(duì)角線開縫的方形貼片單元構(gòu)成的透射型極化轉(zhuǎn)換超表面，并將其加載于微帶縫隙天線的上方，實(shí)現(xiàn)了寬帶圓極化天線設(shè)計(jì)。采用等效電路法分析了超表面實(shí)現(xiàn)線-圓極化轉(zhuǎn)換的工作機(jī)制，并使用基于有限元方法的ANSYS HFSS 15.0高頻電磁仿真軟件對(duì)影響天線圓極化性能的超表面結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。通過對(duì)比加載超表面前后微帶縫隙天線的性能，結(jié)果表明：加載超表面使線極化微帶縫隙天線產(chǎn)生了圓極化輻射，擴(kuò)展了天線的阻抗帶寬，使天線相對(duì)阻抗帶寬達(dá)到了33.2%（4.26～5.96 GHz），3dB軸比帶寬達(dá)到了19.5%（4.9～5.96 GHz），在阻抗帶寬內(nèi)天線增益均高于6.8 dBi，證明了新型超表面結(jié)構(gòu)具有良好的極化旋轉(zhuǎn)特性。

1 超表面設(shè)計(jì)

1.1 超表面結(jié)構(gòu)

超表面結(jié)構(gòu)如圖1所示，每個(gè)單元是一種單對(duì)角線開縫隙的方形金屬貼片。為了使線極化微帶縫隙源天線輻射出圓極化電磁波，構(gòu)建了由16個(gè)單元按4×4陣列組合而成的超表面。所采用的介質(zhì)板厚度 h=4 mm，相對(duì)介電常數(shù) εr=4.1，損耗角正切tanδ=0.003。超表面方形單元邊長(zhǎng)a=9 mm，對(duì)角線縫隙寬度g=1.2 mm，單元之間的間距d=1.2 mm。超表面尺寸為L(zhǎng)×L=40 mm×40 mm。

圖1 超表面結(jié)構(gòu)及工作機(jī)制示意圖Fig.1 Schematic diagram of metasurface

1.2 超表面的等效電路

采用等效電路法來(lái)闡釋所設(shè)計(jì)超表面將線極化轉(zhuǎn)換為圓極化的工作機(jī)制。當(dāng)在超表面的下方放置線極化微帶縫隙天線時(shí)，超表面上產(chǎn)生如圖1所示的電場(chǎng)E，將其分解成兩個(gè)相互正交的分量E1和E2。當(dāng)方形單元的對(duì)角沒有開縫隙時(shí)，E1分量的等效電路可看作是RLC串聯(lián)電路，其阻抗可表示為

式中：R和L分別是方形金屬單元的電阻和電感值；C是相鄰單元之間縫隙產(chǎn)生的電容值。由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，E2分量具有相同的等效電路，其阻抗同樣滿足（1）式。在方形貼片單元右對(duì)角線開縫隙前后，可近似認(rèn)為 E1等效電路的阻抗值沒有變化，但 E2等效電路的變化較大，開縫后兩者不再等效為相同的RLC電路。對(duì)角線開縫后，E2等效電路將增加對(duì)角線縫隙之間的并聯(lián)電容，其阻抗值為

通過調(diào)節(jié)對(duì)角線縫隙的寬度，使得超表面滿足|Z1|=|Z2|且Z1與Z2之間的相位相差90°，即可實(shí)現(xiàn)源天線的線-圓極化轉(zhuǎn)變。

2 極化旋轉(zhuǎn)特性驗(yàn)證

2.1 加載超表面結(jié)構(gòu)的縫隙天線

圖2 加載超表面的微帶縫隙天線結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of microstrip slot antenna with metasurface

為了驗(yàn)證新型超表面的線-圓極化轉(zhuǎn)換特性，將其放置在線極化微帶縫隙天線的上方，組合而成的圓極化天線結(jié)構(gòu)如圖2所示。超表面的介質(zhì)板與縫隙天線直接接觸，有效降低了天線的剖面高度。天線的下層是線極化微帶縫隙天線的介質(zhì)板，厚度為h1=0.8 mm，相對(duì)介電常數(shù)為εr=3.5，損耗角正切為tanδ=0.003。其上表面是開有矩形耦合縫隙的導(dǎo)體接地板，縫隙長(zhǎng)度ls=26 mm，寬度ws=3.2 mm。其下表面是饋電微帶線，饋線長(zhǎng)度lc=28 mm，寬度wc=1.8 mm。天線整體尺寸為0.72 λ×0.72 λ×0.09 λ（λ為圓極化帶寬的中心頻率5.43 GHz對(duì)應(yīng)的自由空間波長(zhǎng)）。

2.2 超表面結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化

為實(shí)現(xiàn)基于單對(duì)角線開縫超表面結(jié)構(gòu)天線的寬帶圓極化特性，需要對(duì)超表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。通過調(diào)節(jié)超表面的介質(zhì)基板的厚度h、方形貼片單元的邊長(zhǎng)a、對(duì)角線縫隙寬度g、陣列間距d，有效擴(kuò)展天線的阻抗帶寬和圓極化帶寬。超表面不同參數(shù)對(duì)天線軸比特性的影響規(guī)律如圖3所示。

圖3 超表面參數(shù)h、a、g、d對(duì)軸比特性的影響Fig.3 Axial ratios with different h, a, g, d parameters of metasurface

從圖3可以看出，加載超表面的微帶縫隙天線的軸比出現(xiàn)兩個(gè)極小值，分別在5.3 GHz和5.8 GHz附近。圖 3（a）表明：當(dāng)超表面的介質(zhì)基板厚度 h較?。╤=3.5 mm）時(shí)，天線在高頻端的軸比性能非常好，軸比接近0.2 dB，但低頻端的軸比性能很差，天線軸比超過了3 dB；反之，當(dāng)h較大（h=4.5 mm）時(shí)，低頻端的軸比性能較好，高頻端的軸比有所偏高；h取中間值時(shí)，天線將獲得最優(yōu)化的軸比性能和軸比帶寬。圖3（b）顯示出超表面的方形金屬單元的邊長(zhǎng)a改變時(shí)，主要影響天線在高頻端的軸比性能，低頻端的軸比基本保持不變，且隨著a的增大，軸比性能越來(lái)越好，但軸比帶寬略有減小。

圖3（c）說明：當(dāng)超表面單元的對(duì)角線縫隙寬度g的取值較?。╣=0.8 mm）時(shí)，天線的軸比出現(xiàn)了三個(gè)極小值，但在高頻端的軸比偏高；隨著g的增大，高頻端的軸比逐漸降低，而低頻端的軸比出現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。圖3（d）表明：隨著超表面的單元間距d的逐漸增大，天線的3 dB軸比帶寬基本保持不變，但頻率向高頻偏移，而高頻端的軸比性能逐步變差。

對(duì)以上參數(shù)的優(yōu)化分析可知，改變超表面的幾何參數(shù)，超表面等效電路的等效阻抗相應(yīng)發(fā)生變化，進(jìn)而影響加載超表面的微帶縫隙天線的軸比特性。也就是說，通過調(diào)節(jié)超表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以獲得最優(yōu)的天線軸比性能和軸比帶寬。

3 加載超表面前后天線性能對(duì)比

為了進(jìn)一步了解超表面結(jié)構(gòu)對(duì)天線性能的改善，將加載超表面前后微帶縫隙天線的性能進(jìn)行對(duì)比，天線的回波損耗、軸比帶寬和增益性能的仿真結(jié)果分別如圖4、圖5和圖6所示。

從圖4可以看出，未加載超表面的微帶縫隙天線的諧振頻率為7.63 GHz，相對(duì)阻抗帶寬為10.7%；加載超表面后，天線的諧振頻率偏移至5.62 GHz，同時(shí)產(chǎn)生了新的諧振頻點(diǎn)4.5 GHz，且兩個(gè)諧振模式的頻率比較接近，使得天線的阻抗帶寬很寬，工作頻率范圍為 4.26～5.96 GHz，相對(duì)阻抗帶寬達(dá)到了33.2%，實(shí)現(xiàn)了天線的寬頻帶特性，超表面可以有效擴(kuò)展天線的阻抗帶寬。

圖4 天線的回波損耗Fig.4 Return loss of the antenna

從圖5可以看出，加載超表面使線極化微帶縫隙天線輻射出圓極化波，3 dB軸比頻率范圍為4.9～5.96 GHz，相對(duì)軸比帶寬達(dá)到了19.5%，天線圓極化帶寬很寬，軸比性能良好，最小值達(dá)到了 0.2 dB。也就是說，所設(shè)計(jì)超表面具有線-圓極化轉(zhuǎn)換特性，可應(yīng)用于寬帶圓極化天線設(shè)計(jì)。

圖5 天線的軸比帶寬Fig.5 Axial ratio bandwidth of the antenna

從圖6可以看出，加載超表面后微帶縫隙天線的增益略有增加，且在阻抗帶寬內(nèi)天線增益均高于6.8 dBi，最大增益為7.8 dBi。也就是說，阻抗帶寬內(nèi)天線增益波動(dòng)范圍不超過1 dBi，具有良好的帶內(nèi)增益穩(wěn)定性，相比于文獻(xiàn)[7]中方形切角超表面在高頻端嚴(yán)重的增益惡化現(xiàn)象，本文所設(shè)計(jì)超表面具有更好的應(yīng)用性。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新型超表面，其單元由單對(duì)角線開縫的方形金屬貼片構(gòu)成。通過等效電路法的理論分析和軟件仿真分析，表明該超表面具有線-圓極化轉(zhuǎn)換特性。將其加載于線極化微帶縫隙天線的上方，實(shí)現(xiàn)了寬帶圓極化輻射特性，擴(kuò)展了天線的阻抗帶寬。通過參數(shù)優(yōu)化，使得天線相對(duì)阻抗帶寬達(dá)到了33.2%，3 dB軸比帶寬達(dá)到了19.5%，在阻抗帶寬內(nèi)天線增益均高于6.8 dBi。覆蓋超表面的縫隙天線具有很寬的阻抗帶寬和軸比帶寬，且增益穩(wěn)定性良好，所設(shè)計(jì)超表面可應(yīng)用于寬頻圓極化天線設(shè)計(jì)。

圖6 天線增益Fig.6 Antenna gain

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（編輯：陳渝生）

Design of a transparent linear-to-circular polarization conversion metasurface

LIU Shuangbing
(School of Mechanical and Electric Engineering, Chaohu College, Hefei 238000, China)

A transparent polarization conversion metasurface was presented for designing of wide band circular polarized microstrip slot antenna. It was composed of square units with a single diagonal slot. The metasurface’s working mechanism of converting linear to circular polarization was analyzed by equivalent circuits, and the parameters of the metasurface were swept according to their influence on the 3 dB axial ratio bandwidth. Simulated results show that the linearly polarized microstrip slot antenna can radiate circularly polarized wave and its impedance bandwidth is broaden by loading the metasurface. The relative impedance bandwidth and 3 dB axial ratio bandwidth can reach 33.2% and 19.5%, respectively. The antenna gains are higher than 6.8 dBi within the impedance bandwidth. It is indicated that the new metasurface has good linear-to-circular polarization conversion characteristics.

polarization conversion; metasurface; wide band; circularly polarized; microstrip slot antenna; axial ratio

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.09.004

TB34；TN821+.1

A

1001-2028（2017）09-0018-04

2017-08-01

安徽省高校優(yōu)秀青年人才支持計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（No. gxyqZD2016291）

劉雙兵（1982－），男，安徽宿松人，講師，碩士，主要從事天線研究工作，E-mail: liushb@shu.edu.cn 。

時(shí)間：2017-08-28 11:08

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170828.1108.004.html