基于超材料的寬帶雙極化天線研究

高 珊

(河北科技大學(xué)，河北 石家莊 050018)

0 引言

現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)對(duì)天線的性能要求越來越高，尤其是現(xiàn)代的5G通信系統(tǒng)，需要更小的天線體積、更寬的頻帶和更多的極化特性[1]。貼片天線具有低剖面和體積小的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用在通信系統(tǒng)中，但是貼片的帶寬有限。

目前提升貼片帶寬的常見方法有降低天線的Q值和通過引入額外的電路改善匹配。采用降低天線Q值的方法，需要更高的空氣層，增加了天線的剖面。而引入額外的電路改善匹配，增加了電路的復(fù)雜度，降低了天線的增益，相比與貼片天線，超材料天線具有寬頻的優(yōu)點(diǎn)[2-4]。

本文提出了一款基于超材料的寬帶雙極化濾波天線，首先在傳統(tǒng)的貼片天線上引入縫隙，得到由多個(gè)貼片單元組成的超材料結(jié)構(gòu)，初步改善了貼片天線帶寬窄的問題。其次將傳統(tǒng)饋電中的單個(gè)縫隙用環(huán)諧振器代替，得到對(duì)稱的饋電結(jié)構(gòu)，環(huán)諧振器可以在通帶內(nèi)引入一個(gè)額外的匹配極點(diǎn)，改善匹配性能。然后分別調(diào)節(jié)環(huán)諧振器和天線之間的耦合量與饋電微帶線和環(huán)諧振器之間的耦合量，得到寬帶響應(yīng)。最終采用對(duì)稱的激勵(lì)網(wǎng)絡(luò)得到寬帶雙極化天線，相對(duì)于其他文獻(xiàn)中的超材料天線，本文提出的天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、寬帶多極化的優(yōu)勢(shì)。

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 超材料天線

超材料天線不同于傳統(tǒng)的貼片天線，貼片天線僅有一個(gè)金屬貼片，而超材料天線由多個(gè)貼片組成，但是在相同的工作頻率下，兩者的尺寸基本相同。圖1為本文提出的一種新型的超材料天線，黃色的部分為金屬部分，灰色部分為介質(zhì)基板，通過多種縫隙將整個(gè)金屬貼片分成4部分，其中縫隙包含橫向、縱向、+45°和-45° 4個(gè)不同方向的縫隙，多種縫隙的加載降低了貼片天線的Q值，因此超材料天線的帶寬比貼片天線寬。本文中超材料天線工作頻率中心為3.75 GHz，超材料天線的每個(gè)金屬部分為16 mm×16 mm，水平和垂直縫隙的寬度為0.4 mm，+45°和-45°縫隙的寬度為1 mm，介質(zhì)基板的厚度為0.508 mm。

圖1 超材料天線

1.2 環(huán)諧振器模型

縫隙耦合饋電為常見的貼片天線激勵(lì)方式，但是常規(guī)的縫隙激勵(lì)方式只通過縫隙的大小來控制饋電到天線的耦合量，不能改善其匹配性能。為改善通帶的匹配性能，本文引入環(huán)諧振器代替單個(gè)的縫隙饋電(見圖2)，黃色部分為地板，位于基板的上層，紅色部分為饋電部分，位于基板的下層，采用傳統(tǒng)的50 Ohm的微帶線激勵(lì)天線，基板尺寸和性能與天線的基板相同。在超材料天線的地板上引入一個(gè)縫隙環(huán)形諧振器，環(huán)形諧振器的工作頻率和超材料天線的諧振器頻率相同，4個(gè)單元的每個(gè)邊長(zhǎng)約為工作頻率的1/4波長(zhǎng)。從圖2可以看出饋電結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的，因此本文提出的饋電結(jié)構(gòu)可用于雙極化天線的設(shè)計(jì)，增加了在5G通信中的應(yīng)用。

圖2 天線地板和背面饋線部分

1.3 兩者耦合激勵(lì)模型

基于上述分析得到的超材料天線和環(huán)形諧振器饋電結(jié)構(gòu)，我們提出新型的耦合激勵(lì)模型。耦合激勵(lì)模型不僅包含上述的超材料天線和環(huán)形縫隙諧振器饋電網(wǎng)絡(luò)，還包含6.5 mm的空氣層，這里空氣層作用主要是來調(diào)節(jié)耦合模型的耦合量，當(dāng)空氣層降低時(shí)，耦合量增大，當(dāng)空氣層提高時(shí)，耦合量減小。

因此基于超材料的寬帶雙極化天線設(shè)計(jì)流程如下。首先確定天線的工作頻率，根據(jù)貼片天線和環(huán)諧振器的諧振條件，得到兩者的尺寸，然后在貼片天線上引入縫隙，得到超材料天線單元。其次通過調(diào)節(jié)空氣層的高度來調(diào)整超材料天線和環(huán)諧振器之間的耦合，改善通帶的匹配特性。最終優(yōu)化各個(gè)參數(shù)，得到本文的超材料天線和環(huán)諧振器耦合模型。

2 仿真結(jié)果分析

通過高頻結(jié)構(gòu)仿真(High Frequency Structure Simulator，HFSS)軟件得到本文中超材料寬帶雙極化天線的相關(guān)參數(shù)。由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱分布，因此水平極化和垂直極化的相關(guān)參數(shù)相同，所以接下來僅需分析一種極化即可。本文以水平極化的參數(shù)為例，從圖3的反射系數(shù)曲線可以看出，本文提出的超材料天線在3.25～4.2 GHz 頻段上匹配，反射系數(shù)小于-10 dB，相對(duì)帶寬為24%，在帶內(nèi)存在兩個(gè)反射零點(diǎn)，這是由于環(huán)諧振器的引入增加了額外的反射零點(diǎn)，可見該模型有良好的電路特性。

仿真在水平極化情況下得到側(cè)射方向?qū)嶋H增益曲線，由于本文中的天線主要應(yīng)用在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信系統(tǒng)中，需要側(cè)射方向的輻射。在中心頻率3.75 GHz上實(shí)際增益為9.75 dBi，帶內(nèi)增益大于6.64 dBi，在第二個(gè)匹配點(diǎn)位置增益達(dá)到最大值為9.94 dBi，帶內(nèi)增益也較為平坦。

超材料寬帶雙極化天線在中心頻率3.75 GHz上的輻射特性通過HFSS仿真得到輻射方向?yàn)?°，主極化比交叉極化幅度高13 dB，前后比大于12 dB?？梢酝ㄟ^適當(dāng)?shù)卦黾拥匕宄叽绺纳魄昂蟊?，表明超材料天線具有良好的輻射特性。

圖3 雙極化天線的反射系數(shù)曲線

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于超材料的寬帶雙極化濾波天線，在3.25～4.2 GHz頻段上匹配性能和輻射特性良好，僅需要縫隙加載2×2貼片組成的超材料和環(huán)諧振器就可以實(shí)現(xiàn)24%的帶寬。此外環(huán)諧振器的引入還實(shí)現(xiàn)了對(duì)稱激勵(lì)，通過對(duì)稱激勵(lì)得到了雙極化天線。本文設(shè)計(jì)的天線完全覆蓋5G的N77頻段，因此可以用到5G通信系統(tǒng)中。