基于空間調(diào)制超材料的人工表面等離激元天線

徐聲海，李祥祥，張志宏

(1.海裝上海局駐揚州地區(qū)軍事代表室，江蘇 揚州 225001；2.中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

表面等離激元因具有低色散、低損耗和超強場束縛能力的特性，在雷達、通信等領(lǐng)域成為近年來的研究熱點。表面等離激元在光波段是存在于金屬和介質(zhì)交界面的一類本征表面波。但是在微波和太赫茲波段，由于金屬可認為是理想的電導(dǎo)體，因而無法支持表面等離激元傳播模式。為了在微波段實現(xiàn)等離子體模式的傳播模式，利用亞波長周期結(jié)構(gòu)構(gòu)成的人工表面等離激元的概念被提出。這類的人工表面等離激元可由印制金屬波紋組成，具有與自然存在的表面等離激元類似的特性[1-3]。

2013年，東南大學(xué)崔鐵軍教授團隊首次在微波段提出采用帶線金屬波紋實現(xiàn)平面人工等離激元[4]。此后，提出了許多基于此種結(jié)構(gòu)的器件，如天線、環(huán)形器、濾波器、功分器等[5-8]。對于表面等離激元天線而言，漏波天線和端射天線是目前2種主流研究形式。人工表面等離激元漏波天線是一類頻掃天線，頻帶較窄，以東南大學(xué)崔鐵軍團隊為主。此外，人工表面等離激元傳輸線可作為端射天線的饋電網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)端射，如常用的Vivaldi天線[9-10]。2018年，南方科技大學(xué)通過對金屬波紋人工表面等離激元傳輸線末端錐削實現(xiàn)近端射輻射天線，主波束存在略微傾斜，相對帶寬12.5%[11-13]。

本文提出了一種差分饋電的對踵結(jié)構(gòu)的人工表面等離激元端射天線，該天線可工作在8～11 GHz，相對帶寬31.6%，全頻帶增益大于9.1 dB，并且能夠?qū)崿F(xiàn)完全端射。

1 天線分析與設(shè)計

1.1 端射人工表面等離激元天線

圖1(a)為人工表面等離激元天線結(jié)構(gòu)。天線印制于0.5 mm厚的羅杰斯 5880基板上，尺寸為 20 mm×110 mm。

人工表面等離激元天線包含三部分：共面波導(dǎo)饋線、人工表面等離激元傳輸線、末端錐削的人工表面等離激元輻射體。共面波導(dǎo)饋線阻抗68 Ω，直接與50 Ω同軸線連接。人工表面等離激元傳輸線的傳輸特性可通過調(diào)整金屬波紋周期結(jié)構(gòu)的周期、槽深等來調(diào)制。其傳輸特性可通過下式計算：

(1)

式中：gg為槽寬；gw為金屬波紋寬；h為槽深；β為自由空間波數(shù)。

圖1 3種人工表面等離激元天線模型

為了將束縛在人工表面等離激元TM模式轉(zhuǎn)化為輻射模式，對人工表面等離激元傳輸線的末端進行了調(diào)制。如圖1(a)所示，波紋高度從4 mm逐漸減至0.4 mm。利用全波仿真軟件Ansoft HFSS對天線的電性能進行仿真優(yōu)化，優(yōu)化所得天線尺寸如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)(單位：mm)

但是，由于金屬地的存在，上述人工表面等離激元天線存在偏頭現(xiàn)象，如圖2(a)所示。為了解決這個問題，采用圖1(b)所示的對踵結(jié)構(gòu)，其電場傳輸模式如圖2(b)所示。通過反相饋電，兩輻射臂上的電場同相分布，因此能實現(xiàn)完全端射特性。

為了進一步提高天線的增益，將H型的超材料結(jié)構(gòu)加載于對踵人工表面等離激元天線的前端和內(nèi)部，如圖1(c)所示。由于超材料具有高折射率，能有效聚集電磁能量。

圖2 SSPPA和SSPPB輻射機理示意圖

1.2 超材料結(jié)構(gòu)

H型超材料單元的結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示，該單元印制于與天線基板相同的羅杰斯5880介質(zhì)板上。在HFSS中采用波導(dǎo)模擬器提取該超材料的傳播系數(shù)。電磁波傳播方向沿Z軸，平行于XZ面設(shè)置為理想電邊界(PEC)，平行于YZ面設(shè)置為理想磁邊界(PMC)。在Matlab中采用基于K-K關(guān)系的反演算法提取該超材料結(jié)構(gòu)的等效本構(gòu)參數(shù)，包括等效介電常數(shù)(圖3(b))、等效磁導(dǎo)率(圖3(b))和等效折射率(圖3(c))。由圖3(c)提取的等效折射率可以看出，在8～11 GHz的頻率范圍內(nèi)該超材料結(jié)構(gòu)折射率大于1.5。

圖3 單元模型及等效電參數(shù)折射率

1.3 超材料加載端射人工表面等離激元天線

將上述超材料單元加載于圖1(b)所示的差分饋電對踵人工表面等離激元天線前端。圖4給出幾種典型的超材料布局加載的端射人工表面等離激元天線及其對應(yīng)的全頻段增益?？煽闯?，超材料單元的布局對能量的分布有明顯的影響。Type-B具有最優(yōu)的性能?？梢詮?個方面對其進行理解：第一，超材料單元本身具有損耗，過多的單元會增加損耗；第二，超材料單元具有移相功能，加載超材料單元后，天線口徑相位發(fā)生變化，隨機的單元排布會造成孔徑相差變大，進而造成增益降低。此外，高頻段10.5～11 GHz增益的下降還與超材料單元的諧振頻率有關(guān)，由圖3(a)可看出，超材料單元在11 GHz附近諧振。

圖4 幾種天線單元結(jié)構(gòu)及增益

2 仿真結(jié)果

為了說明本文提出的天線結(jié)構(gòu)的有效性，圖5給出了圖1中3種天線的10 GHz表面電場分布，圖6給出了其10 GHz下響應(yīng)的三維輻射方向圖。

圖5 SSPPA,SSPPB和SSPPC在10 GHz的表面電場分布

由圖5對比可知，在所提出的超材料加載的端射人工表面等離激元天線口徑處電場強度最強，能量更加集中。

圖6 10 GHz時3種天線3D輻射方向圖

由圖6可知，所提出的超材料加載的端射人工表面等離激元天線(SSPPC)具有最大的增益，達到14.4 dB，且波束無偏頭現(xiàn)象。相比于SSPPA和SSPPB，天線增益分別增加了6 dBi和3.1 dBi。

圖7～圖9分別給出了上述3種天線的電壓駐波比、增益和不同頻點下輻射方向圖曲線。

圖7 3種天線電壓駐波比

圖8 3種天線增益隨頻率變化曲線

圖7為上述3種天線仿真駐波，可以看出，在8～11 GHz頻帶內(nèi)，3種天線的VSWR均小于2。加載超材料單元并未破壞原始天線的帶寬，帶內(nèi)的匹配狀況甚至得到了改善。

圖8為3種天線的端射增益值。SSPPC實現(xiàn)了全頻帶內(nèi)的增益提升。在8～11 GHz頻帶內(nèi)，增益為9.1～14.6 dBi。

圖9和圖10為在8 GHz、9 GHz、10 GHz和11 GHz時天線的YOZ面和XOZ面輻射方向圖。由圖中可以看出，SSPPC天線具有明顯的端射特性。SSPPA天線的偏頭現(xiàn)象得到明顯改善。SSPPC天線具有較低的副瓣電平以及較窄的波束寬度。

3 結(jié)束語

本文提出一種新型的X波段端射高增益天線。利用人工表面等離激元天線對踵分布，采用差分饋電的形式，有效解決了單人工表面等離激元天線波束傾斜的問題。天線采用了超材料并對其進行空間優(yōu)化排布，在8～11 GHz頻帶范圍內(nèi)，實現(xiàn)了9.1～14.6 dBi的增益。該天線形式具有低副瓣窄波束的優(yōu)點，可用于雷達、通信等相關(guān)領(lǐng)域。