超表面加載極化可重構(gòu)雙極化微帶天線設(shè)計(jì)

張奧博，欒秀珍

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超表面加載極化可重構(gòu)雙極化微帶天線設(shè)計(jì)

張奧博，欒秀珍

（大連海事大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116026）

基于超表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種2.555~2.655 GHz頻段的極化可重構(gòu)雙極化微帶天線。首先根據(jù)微帶天線理論設(shè)計(jì)了縫隙耦合正交饋電的雙極化微帶貼片天線，然后提出并設(shè)計(jì)了一種方形切角的新型超表面結(jié)構(gòu)，并將該超表面放置在雙極化微帶天線上，通過機(jī)械方式旋轉(zhuǎn)超表面，實(shí)現(xiàn)了左、右旋圓極化和水平、垂直線極化之間的極化轉(zhuǎn)換。利用HFSS仿真軟件對該超表面加載微帶雙極化天線進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明，該雙極化天線能夠便捷地實(shí)現(xiàn)極化轉(zhuǎn)換，且在兩種極化狀態(tài)下，天線在工作頻帶內(nèi)的回波損耗小于–10 dB，隔離度大于20 dB，圓極化工作狀態(tài)下的軸比小于3 dB，天線的整體性能良好。

超表面；微帶天線；雙極化天線；極化可重構(gòu)天線；回波損耗；隔離度

目前，無線通信系統(tǒng)正朝著小型化、多功能化和大容量方向快速發(fā)展。為了滿足這種發(fā)展需要，對通信系統(tǒng)中天線的性能提出了“靈活多變”的要求，于是，可重構(gòu)天線應(yīng)運(yùn)而生?？芍貥?gòu)天線可以在不增加天線數(shù)量的前提下，通過某種手段來控制其結(jié)構(gòu)的變化，使天線的某些特性參數(shù)發(fā)生重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)不同工作狀態(tài)間的靈活切換，從而具有多功能特性，滿足多樣性無線通信的需求。極化可重構(gòu)天線是可重構(gòu)天線中的一種重要形式，其可以在同一幅天線中實(shí)現(xiàn)不同的極化方式，在通信領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。就目前國內(nèi)外研究的極化可重構(gòu)天線來說，基本上都是在單極化天線上實(shí)現(xiàn)的。然而近年來，雙極化天線在通信領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，但是關(guān)于極化可重構(gòu)雙極化天線的研究卻鮮有報(bào)道[1]，因此，研究極化可重構(gòu)雙極化天線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法具有理論意義和實(shí)用價值。

在目前國內(nèi)外已發(fā)表的論文中，極化可重構(gòu)一般都是采用在天線中加載電控開關(guān)的方法實(shí)現(xiàn)的，通過控制開關(guān)通斷改變天線結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)不同的線極化或圓極化，達(dá)到改變天線極化特性的目的[2-4]。這些設(shè)計(jì)由于在天線輻射單元中引入了有源可控器件和直流偏置電路，對天線性能帶來一定程度的影響，而且直流偏置電路的設(shè)計(jì)也比較復(fù)雜。近年來，超表面材料引起了人們的廣泛關(guān)注，它是一種超薄二維陣列平面，由亞波長(0.1)尺度的超材料結(jié)構(gòu)單元周期或非周期的排列所組成，可以靈活有效地操控電磁波的極化特性，因此可用于實(shí)現(xiàn)極化可重構(gòu)天線[5-6]。文獻(xiàn)[5-6]通過加載超表面的方法實(shí)現(xiàn)了天線的極化可重構(gòu)。由于這種極化可重構(gòu)是通過機(jī)械方式旋轉(zhuǎn)超表面的方法實(shí)現(xiàn)的，因此避免了有源可控器件和直流偏置電路帶來的一系列問題。在文獻(xiàn)[5-6]中，實(shí)現(xiàn)的都是極化可重構(gòu)單極化天線，然而在許多無線通信（如，TD-LTE, Time Division Long Term Evolution，時分長期演進(jìn)）系統(tǒng)中，要求天線具有雙極化特性，然而將雙極化天線進(jìn)行極化重構(gòu)，不僅要求雙極化天線的兩個極化方式均轉(zhuǎn)換成新的極化方式，而且還要求天線在各種極化狀態(tài)下均具有良好的性能，因此給極化可重構(gòu)雙極化天線的設(shè)計(jì)帶來了新的挑戰(zhàn)。

為了解決以上問題，筆者提出并設(shè)計(jì)了一種新型的超表面加載極化可重構(gòu)雙極化微帶天線。該天線采用正交饋電的縫隙耦合微帶貼片天線實(shí)現(xiàn)雙極化輻射，通過在微帶天線上加載超表面，并機(jī)械轉(zhuǎn)動超表面的方法實(shí)現(xiàn)左/右旋圓極化和水平/垂直線極化間的極化轉(zhuǎn)換。該極化可重構(gòu)雙極化天線工作在2.555~2.655 GHz的TD-LTE頻段，中心頻率為2.605 GHz，因此本文首先根據(jù)微帶天線理論設(shè)計(jì)了一種工作在2.605 GHz頻段的縫隙耦合雙極化微帶天線，然后根據(jù)超表面材料的工作原理，提出并設(shè)計(jì)了一款新穎的超表面結(jié)構(gòu)，覆蓋在該微帶天線上，運(yùn)用HFSS仿真軟件對超表面加載雙極化微帶天線進(jìn)行仿真、優(yōu)化，最終給出滿足要求的設(shè)計(jì)結(jié)果。

與電控極化可重構(gòu)天線相比，該天線避免了有源可控器件對天線的影響；與超表面加載可重構(gòu)單極化天線相比，本文設(shè)計(jì)的是超表面加載可重構(gòu)雙極化天線，很好地解決了雙極化天線的極化可重構(gòu)問題，因此有著廣泛的應(yīng)用前景。

1 雙極化微帶天線設(shè)計(jì)

本文采用圖1所示結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作在2.605 GHz頻段的水平/垂直雙極化天線。該天線由方形貼片、介質(zhì)板、空氣層、開縫接地板、介質(zhì)板、微帶導(dǎo)體帶條、空氣層、金屬反射板組成，方形貼片天線通過兩個互相正交的縫隙在貼片的兩個側(cè)邊耦合饋電，實(shí)現(xiàn)水平/垂直雙極化輻射特性。開在接地板上的矩形縫隙則分別由其下面的開路微帶線激勵。介質(zhì)板均采用厚度為r=1.5 mm，相對介電常數(shù)r=4.4的FR4介質(zhì)板。

圖1 縫隙耦合饋電雙極化微帶貼片天線

由天線的中心工作頻率0=2.605 GHz，根據(jù)微帶天線理論可以估算貼片邊長的初值。由經(jīng)驗(yàn)公式（1）可以估算接地板上的兩個矩形縫隙的長度s。

式中：0為真空中的波長。取開路微帶饋線的特性阻抗為50 Ω，由文獻(xiàn)[7]中式（2.7.8）可得其導(dǎo)體帶條寬度。金屬反射板到最下層介質(zhì)板的距離取四分之一波長。于是天線的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)均可估算得到，然后運(yùn)用HFSS仿真軟件進(jìn)行仿真優(yōu)化，最終得到滿足設(shè)計(jì)要求的天線結(jié)構(gòu)參數(shù)為：貼片邊長=36.1 mm；縫隙長s=19 mm，寬s=8 mm；微帶導(dǎo)體帶條寬度=3 mm，介質(zhì)板間距1=5 mm；方形反射板到最下層介質(zhì)板的距離=28.8 mm。

2 方形切角超表面結(jié)構(gòu)及工作原理

根據(jù)超材料的工作原理和本文設(shè)計(jì)的需要，提出了一種方形切角的超表面結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 方形切角超表面結(jié)構(gòu)圖

由圖2(a)可見，該超表面單元是通過在方形貼片上切去兩個方形角而形成的。這種超表面單元周期性排列便形成圖2(b)所示超表面結(jié)構(gòu)，其中，超表面單元間縫隙為。將該超表面按圖3所示方式放置在圖1所示雙極化微帶天線上時會對天線輻射的沿軸（水平）和軸（垂直）方向的線極化波產(chǎn)生影響，下面首先討論超表面對軸方向線極化波的影響。

圖3 方形切角超表面加載的微帶天線結(jié)構(gòu)圖

以四個超表面單元組成的一個新單元（如圖4(a)所示）為例進(jìn)行討論。對于沿軸方向的垂直極化波，可將電場分解成2個互相正交的等幅、同相分量1和2，如圖4(a)所示。假如超表面單元沒有切角，則由圖4(b)可見，由于結(jié)構(gòu)對稱，對應(yīng)正交分量1與2的等效電路可認(rèn)為是相同的RLC電路，電路的阻抗相等，即

當(dāng)超表面單元如圖4(a)那樣切兩個方形角時，1和2等效電路中的阻抗將不再相等，分別為：，。因此可通過改變方形切角的邊長來改變1和2的值。當(dāng)|1| = |2|， ∠1–∠Z2=±90°時，通過超表面后的1、2滿足|1|=|2|及∠1–∠2=±90°的關(guān)系，重新合成后便形成了圓極化波。當(dāng)1相位落后2相位90°時，天線工作在右旋圓極化狀態(tài)；當(dāng)1相位超前2相位90°時，天線工作在左旋圓極化狀態(tài)。

對于沿軸方向的水平極化波也具有類似的結(jié)論，只是當(dāng)方向垂直極化波變?yōu)橛倚龍A極化波時，方向水平極化波變?yōu)樽笮龍A極化波，反之亦然。

當(dāng)超表面旋轉(zhuǎn)45°時，超表面關(guān)于軸和軸分別是對稱的，如圖4(c)所示。若還是把軸或軸方向的線極化波分解為等幅、同相的1和2分量，則因?yàn)槌砻鎸@兩個分量的作用是完全一樣的，所以，等效電路的阻抗值相等，通過超表面后的正交分量1與2仍然是等幅、同相的，所以重新合成后變成與原方向相同的線極化波。由此可見，通過旋轉(zhuǎn)超表面可實(shí)現(xiàn)圓極化波到水平/垂直線極化波的極化可重構(gòu)。

圖4 三種超表面新單元

3 仿真

3.1 超表面加載圓極化天線的仿真

將方形切角超表面按圖3所示方式放置在雙極化微帶貼片天線上便形成了超表面加載的圓極化天線。在前面的綜合、分析基礎(chǔ)上，借助HFSS仿真軟件對圖3所示天線進(jìn)行了一系列仿真和優(yōu)化，最終得到滿足設(shè)計(jì)要求的結(jié)構(gòu)尺寸：超表面單元的c=14.5 mm，c=7 mm，=1.4 mm；超表面介質(zhì)層下側(cè)到方形貼片的空氣層厚度=10 mm。該尺寸下天線的仿真結(jié)果如圖5~7所示。

圖5 左/右旋圓極化時超表面加載微帶天線的回波損耗及隔離度

圖6 左/右旋圓極化時超表面加載微帶天線的軸比

由圖5可見，天線在2.38~2.64 GHz頻段內(nèi)的回波損耗小于–10 dB；在2.5~2.72 GHz頻段內(nèi)，天線的隔離度達(dá)到了20 dB以上。由圖6可以看出，該天線在2.32 GHz到2.8 GHz頻帶內(nèi)軸比達(dá)到了3 dB以下。從圖7可以看出，該天線的交叉極化鑒別率約為20 dB以上，在最大方向的增益約為7.5 dB。

圖5~7所示的結(jié)果表明，該天線工作在左/右旋圓極化方式時具有良好的性能。

3.2 超表面加載水平/垂直極化天線的仿真

將圖3中的超表面旋轉(zhuǎn)45°，使天線工作在水平/垂直極化方式下。運(yùn)用HFSS仿真軟件對此時的天線進(jìn)行仿真，仿真模型和仿真結(jié)果如圖8~10所示。

圖8 超表面加載水平/垂直線極化微帶天線

圖9 水平/垂直極化時超表面加載微帶天線的回波損耗和隔離度

由圖9可以看出，天線在2.38~2.65 GHz頻帶內(nèi)，回波損耗小于–10 dB；在2.5 ~2.72 GHz頻帶內(nèi)，隔離度大于20 dB。由圖10可以看出，水平極化天線和垂直極化天線的交叉極化鑒別率都達(dá)到了26 dB以上，滿足了天線的雙極化要求。該天線在最大方向的增益為7.7 dB。

圖9~10所示的結(jié)果表明，該天線工作在水平/垂直極化方式時也具有良好的性能。

4 結(jié)論

將超表面加載到雙極化微帶天線上可以通過機(jī)械旋轉(zhuǎn)超表面的方法實(shí)現(xiàn)雙極化天線的極化可重構(gòu)，避免了有源可控器件和直流偏置電路帶來的弊端，且兩種極化狀態(tài)下的雙極化天線均具有良好的特性，因此有著廣泛的應(yīng)用前景。

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[4] 楊帆, 房麗麗. 一種極化可重構(gòu)的開口環(huán)縫微帶天線[J]. 微波學(xué)報(bào), 2015, 31(5): 38-40.

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[7] 欒秀珍. 微波技術(shù)[M]. 北京: 北京郵電大學(xué)出版社, 2009.

（編輯：陳渝生）

Design of polarization reconfigurable dual polarized microstrip antenna loaded with metasurface

ZHANG Aobo, LUAN Xiuzhen

(College of Information Science and Technology, Dalian Maritime University, Dalian 116026, Liaoning Province, China)

Based on metasurface, a polarization reconfigurable dual polarization microstrip patch antenna in 2.555－2.655 GHz band was designed. At first, a dual polarization microstrip patch antenna fed by two orthogonal slots was designed by the theory of microstrip antenna, then a new type of metasurface with square cutted corners was proposed and designed. The metasurface was placed on the dual polarization microstrip antenna, by mechanical rotating the metasurface. The transformation between left/right circularly polarized and horizontal/vertical linear polarization was achieved. The microstrip dual polarized antenna loaded with metasurface was simulated by using HFSS simulation software. The results show that polarization conversion for the dual polarized antenna can be achieved easily, and in the two kinds of polarization state, in the working frequency band, the return loss of the antenna is less than –10 dB , the isolation between two ports is higher than 20 dB, and the axial ratio of circularly polarized antenna is less than 3 dB. So the overall performances of the antenna are good.

metasurface; microstrip antenna; dual polarization antenna; polarization reconfigurable antenna; return loss; isolation

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.10.010

TN826

A

1001-2028（2017）10-0058-05

2017-07-04

欒秀珍

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No. 2014Z0235）；大連海事大學(xué)“十三五”重點(diǎn)科研項(xiàng)目（No. 3132016320)

欒秀珍（1963－），女，山東青島人，教授，博士，主要研究新型天線和微波器件，E-mail: xzluandalian@sina.com ；張奧博（1993－），女，山東梁山人，研究生，主要研究超材料、天線技術(shù)及射頻電路，E-mail: 997862058@qq.com 。

2017-09-27 10:57

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170927.1057.010.html