基于超材料的低剖面寬帶雙極化天線設(shè)計(jì)

劉松濤，秦順友，韓國(guó)棟

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，石家莊 050081)

0 引言

隨著電子器件和電路系統(tǒng)向著小型化、集成化、多功能的方向發(fā)展，留給天線的空間越來(lái)越小，這就要求在設(shè)計(jì)天線時(shí)要盡可能降低天線的剖面高度與尺寸，在保證優(yōu)良性能的前提下盡可能的減小天線尺寸是目前研究的重點(diǎn)。超材料作為一種新型的電磁材料，通過(guò)設(shè)計(jì)材料的關(guān)鍵物理結(jié)構(gòu)，可以使該材料呈現(xiàn)出與自然界普通材料不一樣的奇異特性，為實(shí)現(xiàn)天線的小型化、寬頻帶、低剖面、高增益提供了新思路［1-2］。

電磁帶隙結(jié)構(gòu) (EBG)具有同相反射性，以EBG結(jié)構(gòu)作為天線反射板，是常見(jiàn)的降低天線剖面的方法［3-5］，但EBG結(jié)構(gòu)具有窄帶特性，用此種方法很難實(shí)現(xiàn)寬帶天線。文獻(xiàn)［6］使用蘑菇型CRLH結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)低剖面，但該天線尺寸過(guò)大，為1．1λ(1．1λ(λ為真空中該天線中心頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)波長(zhǎng))，且波束寬度較窄，不利于組陣應(yīng)用，此外，蘑菇型結(jié)構(gòu)存在過(guò)孔，加工較為復(fù)雜。文獻(xiàn)［7］中的天線無(wú)過(guò)孔結(jié)構(gòu)，但天線尺寸過(guò)大，不能組陣，并且該天線為單線極化，不能滿足移動(dòng)通信的需求。

本文通過(guò)推導(dǎo)單負(fù)型CRLH結(jié)構(gòu)諧振頻率的公式，得出影響其諧振頻率的參數(shù)，通過(guò)合理選擇CRLH單元尺寸、單元間隙、介電常數(shù)等參數(shù)，降低其諧振頻率，實(shí)現(xiàn)低剖面與小型化兼顧。并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了兩種低剖面雙極化天線，都具有良好的帶寬與駐波特性，并且易于組陣，可應(yīng)用于移動(dòng)通信中。

1 低剖面天線設(shè)計(jì)原理

復(fù)合左右手傳輸線即傳統(tǒng)右手傳輸線中引入左手電容、左手電感，從而獲得特殊的電磁特性。其中復(fù)合左右手材料可分為雙負(fù)型結(jié)構(gòu)與單負(fù)型結(jié)構(gòu)。雙負(fù)型結(jié)構(gòu)即同時(shí)引入左手電容、左手電感，使得等效磁導(dǎo)率、等效介電常數(shù)都為負(fù)數(shù)，該結(jié)構(gòu)傳播常數(shù)可為負(fù)數(shù)、正數(shù)或者為0，利用該特性，該結(jié)構(gòu)常被用來(lái)設(shè)計(jì)零階諧振天線，實(shí)現(xiàn)天線的小型化。單負(fù)型結(jié)構(gòu)即僅引入左手電容或左手電感，其等效磁導(dǎo)率、等效介電常數(shù)僅有一個(gè)為負(fù)值。不論雙負(fù)型結(jié)構(gòu)和單負(fù)型結(jié)構(gòu)，其色散圖都是非線性的，以之作為輻射單元設(shè)計(jì)的天線，諧振頻率是不調(diào)和的，即Wm≠mW1，其中m為諧振階數(shù)，W1為一階諧振頻率。利用復(fù)合左右手結(jié)構(gòu)的該特性，使得一階、二階諧振頻率更容易融合，實(shí)現(xiàn)寬頻特性。

當(dāng)CRLH結(jié)構(gòu)單元邊長(zhǎng)小于1/4λ時(shí)，可認(rèn)為是均勻型結(jié)構(gòu)，當(dāng)單元高度h遠(yuǎn)小于波導(dǎo)波長(zhǎng)時(shí)，可利用傳輸線模型分析。以CRLH結(jié)構(gòu)作為輻射單元設(shè)計(jì)微帶天線，根據(jù)微帶天線傳輸線模型，將周期性CRLH結(jié)構(gòu)貼片看作邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的一段微帶傳輸線，沿著x方向的終端呈現(xiàn)開(kāi)路，故形成電壓波腹，若貼片x方向長(zhǎng)度為λm/2(λm為微帶線上波長(zhǎng))，則L另一端也是電壓波腹，天線的輻射主要由貼片與地板間的縫隙形成。于是該復(fù)合左右手結(jié)構(gòu)可表示為相距L的兩條具有等效復(fù)導(dǎo)納的縫隙，復(fù)導(dǎo)納的等效長(zhǎng)度為ΔL。等效長(zhǎng)度及該區(qū)域內(nèi)等效介電常數(shù)、等效傳播常數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式如下［6］:

復(fù)合左右手結(jié)構(gòu)的傳播常數(shù)βCLHR可由其色散圖求得。由微帶天線傳輸線模型可得，需要在縫隙兩側(cè)形成電壓波腹方可實(shí)現(xiàn)輻射，這就需要電磁波沿x方向相位變化為180°。故TM10模諧振頻率可由下式求得:

由于地板上的電磁耦合縫隙在復(fù)合左右手單元間的縫隙正下方，使得縫隙兩側(cè)的電場(chǎng)方向相反，則TM20諧振頻率為:

色散曲線可通過(guò)布里淵區(qū)法直接獲得;或者利用波導(dǎo)傳輸法，從S參數(shù)中提取。結(jié)合上式計(jì)算出TM10模式和TM20模式的諧振頻率。

文獻(xiàn)［2］中采用加載左手電容的單負(fù)型復(fù)合左右手結(jié)構(gòu)，其等效磁導(dǎo)率為負(fù)值，故又被稱(chēng)為MNG傳輸線。兩端開(kāi)路的MNG傳輸線可看作是一種諧振器結(jié)構(gòu)，由于左手特性，MNG傳輸線色散圖為非線性的。對(duì)周期性MNG單元結(jié)構(gòu)應(yīng)用Bloch－Floquet定理，MNG傳輸線的相位常數(shù)有如下表達(dá)式［8-9］:

諧振頻率Wn與對(duì)應(yīng)的電長(zhǎng)度θ存在如下關(guān)系:

聯(lián)立式 (6)和式 (7)可求得各階諧振器的諧振頻率Wn:

其中:n=0，1，2，3，．． + ∞

式中，n、βn、N、分別為諧振階數(shù)、相位常數(shù)、單元個(gè)數(shù)與單元長(zhǎng)度。由 (8)式可看出，增大右手電感LR，增大右手電容CR，增大左手電容CL可降低諧振頻率。故本設(shè)計(jì)采用較高介電常數(shù)介質(zhì)材料，減小CRLH貼片單元間隙g，降低諧振頻率，以實(shí)現(xiàn)天線的小型化。

2 低剖面天線單元設(shè)計(jì)

2.1 寬帶低剖面天線

本設(shè)計(jì)采用介電常數(shù)為6.15的Rogers RT6006作為復(fù)合左右手結(jié)構(gòu)的介質(zhì)基板，厚度為h=6 mm。CRLH單元邊長(zhǎng)w=7.6 mm，單元間隙g=0.6 mm，通過(guò)正方形單元的間隙引入左手電容，實(shí)現(xiàn)左手特性。CRLH結(jié)構(gòu)色散圖采用布里淵區(qū)法繪制。利用HFSS軟件中的本征模求解器，根據(jù)布里淵區(qū)法使波矢歷遍整個(gè)CRLH單元，進(jìn)而求得其色散曲線。由于CRLH單元為完全對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，且作為輻射單元時(shí)電磁波主要沿X，Y方向傳播，故繪制色散圖僅考慮一個(gè)方向即可。圖1(a)為HFSS軟件中繪制色散圖的模型。模型最下方為CRLH單元，外圍由橫截面積與CRLH單元介質(zhì)基板相等的空氣盒子包圍，空氣盒子高度一般為CRLH單元高度的6－8倍，在空氣盒子最上層設(shè)置理想匹配層，以防止反射波的影響。連同理想匹配層，在模型的最外圍設(shè)置兩對(duì)主從邊界，并在兩對(duì)主從邊界間設(shè)置相位延遲phase1，phase2。由于僅需考慮一個(gè)方向，故 phase1由 0°增加到180°，phase2保持0°不變，利用HFSS軟件中的參數(shù)掃描功能進(jìn)行計(jì)算。本節(jié)中的CRLH單元色散圖如圖1(b)所示，圖中虛線為CRLH單元的色散圖，兩直線由上一節(jié)中公式(4)、公式 (5)求得。根據(jù)上一節(jié)中寬帶低剖面天線的設(shè)計(jì)原理可得，兩直線與CRLH單元色散曲線的交點(diǎn)即為天線諧振頻率:TM10=3.17 GHz，TM20=4．02 GHz。

該天線采用縫隙耦合饋電，天線結(jié)構(gòu)及各部分尺寸如圖2所示，最上層為CRLH結(jié)構(gòu)的周期性貼片，向下依次為CRLH結(jié)構(gòu)的介質(zhì)基板、地板與饋電微帶線，在地板上開(kāi)有矩形耦合縫隙，縫隙的位置為CRLH周期型結(jié)構(gòu)中心縫隙的正下方。地板上的縫隙與其正上方的CRLH單元間的縫隙可使縫隙兩側(cè)電場(chǎng)反相，由此激勵(lì)起反相TM20模，實(shí)現(xiàn)寬帶特性。天線采用縫隙耦合饋電結(jié)構(gòu)，這種饋電方式能有效抑制饋電微帶線對(duì)輻射單元的影響。

圖1 CRLH結(jié)構(gòu)色散圖

圖2 寬帶低剖面天線結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)上一小節(jié)的理論分析，由公式 (8)可得，減小CRLH貼片單元間隙可降低諧振頻率。圖3展示了超材料單元上層貼片間隙g取不同值時(shí)天線的阻抗帶寬與諧振頻率的變化情況。由圖可得，隨著CRLH單元貼片間隙的減小，天線阻抗帶寬與諧振頻率向低頻移動(dòng)，并且相對(duì)帶寬增大，根據(jù)該規(guī)律，經(jīng)過(guò)優(yōu)化計(jì)算，最終選取g=0.6 mm。該天線尺寸40 mm，約為0.47λ0剖面高度6.813 mm，約為0.08λ0(λ0為中心頻點(diǎn)在真空中對(duì)應(yīng)波長(zhǎng))。地板上矩形耦合縫隙初始長(zhǎng)度大致等于輻射單元總長(zhǎng)度，寬度大致為長(zhǎng)度的十分之一。微帶線的開(kāi)路端長(zhǎng)度初始值選取為波導(dǎo)波長(zhǎng)的四分之一。矩形耦合縫隙的長(zhǎng)度對(duì)天線輸入阻抗有重要影響，長(zhǎng)度增大，耦合量增大，天線輸入阻抗變大。而饋電微帶線的開(kāi)路端長(zhǎng)度對(duì)矩形耦合縫隙引入的電抗起補(bǔ)償作用，調(diào)整矩形耦合縫隙的長(zhǎng)寬與饋電微帶線開(kāi)路端長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。當(dāng)矩形耦合縫隙長(zhǎng)度ls=31 mm，寬度ws=1.4 mm，開(kāi)路短截線長(zhǎng)度l1=14 mm時(shí)，端口反射系數(shù)小于－10 dB(2.85～4.26 GHz)滿足設(shè)計(jì)要求，天線駐波特性與方向圖如圖4所示。

圖3 天線阻抗帶寬隨超材料單元間隙變化情況

圖4 寬帶低剖面天線HFSS仿真結(jié)果

通過(guò)仿真結(jié)果可看出，端口S參數(shù)呈現(xiàn)“W”型，實(shí)現(xiàn)了兩種模式諧振頻率的融合，阻抗帶寬為2.85～4.26 GHz，相對(duì)帶寬為40%，增益6.31 dBi，波束寬度約為90°±10°，并且該天線尺寸較小，僅為 0.47λ0(0．47λ0(0．08λ0，可作為寬角掃描相控陣天線的陣元。

2.2 低剖面雙極化天線

上述設(shè)計(jì)為單線極化天線，不具備雙極化天線抗干擾能力強(qiáng)、極化復(fù)用、極化捷變和收發(fā)同工等優(yōu)點(diǎn)。由于上述CRLH結(jié)構(gòu)為完全對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，x，y方向完全等效，故該結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于雙極化天線的設(shè)計(jì)，下面利用上一小節(jié)中寬帶低剖面天線設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)低剖面雙極化天線。由于反相TM20模的激勵(lì)要求耦合縫隙必須在CRLH結(jié)構(gòu)中心縫隙的正下方，并且要實(shí)現(xiàn)雙極化特性，故十字形矩形縫隙為首選結(jié)構(gòu)。電場(chǎng)通過(guò)兩相互正交的矩形縫隙耦合至輻射單元。低剖面雙極化天線結(jié)構(gòu)及尺寸如圖5所示。

圖5 低剖面雙極化天線結(jié)構(gòu)示意圖

最上層為CRLH結(jié)構(gòu)的周期性貼片，向下依次為CRLH結(jié)構(gòu)的介質(zhì)基板、上層地板、空氣層、第一層饋電網(wǎng)絡(luò)、下層地板、第二層饋電網(wǎng)絡(luò)。其中上下兩層地板上都開(kāi)有十字形縫隙，且二者投影重合。上下兩層饋電網(wǎng)絡(luò)激勵(lì)下層地板上的縫隙，通過(guò)空氣層使上層地板上產(chǎn)生耦合電流，上層地板上的縫隙將電流耦合到輻射貼片上。由于饋電網(wǎng)絡(luò)與輻射單元之間存在地板，這種縫隙耦合饋電方式大大降低了饋電網(wǎng)絡(luò)對(duì)輻射單元的影響。饋電網(wǎng)絡(luò)由兩個(gè)等幅同相的T形功分器組成，功分器耦合臂的初始位置為十字形縫隙長(zhǎng)度的四分之一處，開(kāi)路短截線的長(zhǎng)度為微帶線波導(dǎo)波長(zhǎng)的四分之一。通過(guò)調(diào)整縫隙的長(zhǎng)寬、耦合臂的位置、開(kāi)路短截線的長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。當(dāng)十字形縫隙尺寸為32 mm時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該低剖面雙極化天線駐波特性與方向圖如圖6所示。

由圖6可看出，天線有良好的駐波特性，阻抗帶寬為2.98～4.16 GHz，相對(duì)帶寬為33%，增益6.40 dBi，異極化隔離大于55 dB，0°交叉極化大于65 dB，±60°交叉極化大于40 dB。該天線尺寸為40 mm，僅為0.488λ0×0．488λ0×0．096λ0，其中λ0為中心頻率在真空中對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)。

2.3 ±45°寬帶低剖面雙極化天線

圖6 低剖面雙極化天線HFSS仿真結(jié)果

目前移動(dòng)通信都是采用±45°雙線極化天線，針對(duì)移動(dòng)通信需求，設(shè)計(jì)了一種低剖面寬帶雙極化天線。由于把輻射單元旋轉(zhuǎn)45°后，受介質(zhì)、地板邊界的影響，十字形縫隙相連通區(qū)域耦合嚴(yán)重，導(dǎo)致貼片上電流方向不純，使隔離與交叉極化發(fā)生惡化，為解決該問(wèn)題，本設(shè)計(jì)采用中間不連通的十字形縫隙，降低兩縫隙間的耦合，改善隔離與交叉極化［10］。此外，本設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了上一節(jié)中雙極化天線結(jié)構(gòu)，去掉空氣層，使CRLH結(jié)構(gòu)與耦合縫隙共用同一層地板，進(jìn)一步降低天線剖面高度，使天線更易于加工，天線結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 寬帶低剖面雙極化天線結(jié)構(gòu)示意圖

天線由上到下依次為CRLH結(jié)構(gòu)周期性單元、介質(zhì)基板、第一層饋電網(wǎng)絡(luò)、開(kāi)有耦合縫隙的地板、饋電層介質(zhì)基板、第二層饋電網(wǎng)絡(luò)。CRLH單元尺寸w=6.6 mm，g=0.4 mm，h=4 mm，介質(zhì)基板同樣采用介電常數(shù)6.15的RT6006，邊長(zhǎng)為42 mm。饋電層介質(zhì)基板采用介電常數(shù)為3.55的RO4003C，厚度為0.508 mm。天線總高度為5.016 mm，僅為0.06λ0(λ0為中心頻率在真空中對(duì)應(yīng)波長(zhǎng))，饋電網(wǎng)絡(luò)為兩個(gè)等幅同相的T形功分器。耦合縫隙為四個(gè)不連通的矩形縫隙，縫隙長(zhǎng)度對(duì)天線輸入阻抗影響較大，縫隙變長(zhǎng)，由饋電微帶線饋入的耦合增加，天線輸入阻抗增大，反之則減小，本設(shè)計(jì)單縫長(zhǎng)度選取為ls=16 mm。耦合縫隙的間距gs對(duì)端口隔離、交叉極化影響較大，縫隙間距必須大于單縫寬度，若間隙小于或者略大于單縫寬度，則四個(gè)相互正交的單縫會(huì)部分相連通或者單縫間距很小，這樣單縫間仍然有較大的耦合，縫隙作用消失;但單縫間距也不宜過(guò)大，若單縫間距過(guò)大，會(huì)使饋電微帶線與CRLH輻射單元邊緣距離減小，產(chǎn)生多余耦合，使駐波和輻射特性發(fā)生惡化。經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)的縫隙間距選取為6 mm。由于兩個(gè)極化的耦合縫隙是不連通的，減小了兩個(gè)極化縫隙間的耦合，改善了隔離度與交叉極化。該天線駐波特性與方向圖如圖8所示。

圖8 寬帶低剖面雙極化天線HFSS仿真結(jié)果

由圖8可看出，天線有良好的駐波特性，阻抗帶寬為3.08～3.93 GHz，相對(duì)帶寬為24%，增益為5.77 dBi，異極化隔離大于50 dB，0°交叉極化大于60 dB，±60°交叉極化大于27 dB。不連通的十字形縫隙饋電對(duì)隔離與交叉極化有明顯改善。此外該天線尺寸較小，僅為0．49λ0×0．49λ0×0．058λ0，其中λ0為中心頻率在真空中對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)。天線波束寬度為90°±10°，結(jié)合小型化的特點(diǎn)，該天線可應(yīng)用于寬角掃描相控陣的陣元，為新一代移動(dòng)通信天線設(shè)計(jì)提供了新的設(shè)計(jì)思路。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文利用復(fù)合左右手結(jié)構(gòu)色散圖非線性的特性，結(jié)合微帶天線傳輸線理論，實(shí)現(xiàn)兩種模式相鄰諧振點(diǎn)的融合展寬帶寬，設(shè)計(jì)了基于CRLH結(jié)構(gòu)的寬帶低剖面天線;根據(jù)CRLH結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)特性設(shè)計(jì)了基于CRLH結(jié)構(gòu)的低剖面雙極化天線;利用四個(gè)不連通的相互正交矩形縫隙耦合饋電，減小不同極化間的耦合，改善隔離與交叉極化，設(shè)計(jì)了特性優(yōu)良的寬帶低剖面±45°雙極化天線，該天線可進(jìn)一步優(yōu)化饋電結(jié)構(gòu)，使得兩極化駐波特性更加一直，可進(jìn)一步拓展帶寬。本文所給出的為三種寬帶低剖面天線單元設(shè)計(jì)，進(jìn)一步組陣分析為作者下一步研究工作。本文所設(shè)計(jì)的天線都具有良好的駐波、輻射特性，并且尺寸較小，可作為寬角掃描相控陣天線陣元，為第五代移動(dòng)通信提供新的設(shè)計(jì)思路。