基于超表面的寬帶圓極化方環(huán)縫隙天線設(shè)計(jì)

劉雙兵，葉 松，余建立,葉曉娟

巢湖學(xué)院電子工程學(xué)院，安徽合肥,238000

隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代無線通信和雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)天線的圓極化工作帶寬和增益等性能要求越來越高。低剖面、寬帶圓極化、高增益天線是當(dāng)前研究熱點(diǎn)。環(huán)形縫隙天線具有低剖面、重量輕、易加工、寬阻抗帶寬等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注[1-3]。通過在環(huán)形縫隙內(nèi)適當(dāng)?shù)奈恢眉虞d短路片可以實(shí)現(xiàn)天線的圓極化輻射，Chen等[4]設(shè)計(jì)了短路圓環(huán)和短路方形環(huán)縫隙天線，3 dB軸比帶寬分別為8.4%和8.1%，天線增益為4～5.6 dBi。Chang等[5]通過改變饋電微帶線的形狀，使短路方形環(huán)縫隙天線的3 dB軸比帶寬擴(kuò)展到12.9%，但天線增益僅為3.3 dBi。顯然，由于這類天線產(chǎn)生雙向輻射，導(dǎo)致天線增益較低。

近年來，超表面因其奇異的電磁特性[6]而被廣泛應(yīng)用于天線設(shè)計(jì)中，用以擴(kuò)展阻抗帶寬[7]、提高輻射增益[8]、降低雷達(dá)散射截面[9]。Wu等[10]設(shè)計(jì)了一種基于矩形貼片陣列超表面的圓極化斜縫隙天線，3 dB軸比帶寬為16.5%，增益均值為5.8 dBi。Cao等[11]將一種方形貼片陣列超表面加載于L型縫隙天線上，獲得了23.6%的3 dB軸比帶寬，增益高于7.3 dBi。Zhao等[12]提出一種基于十字型縫隙耦合饋電的H型貼片陣列超表面天線，實(shí)現(xiàn)了14.3%的3 dB軸比帶寬，增益峰值達(dá)到了9.3 dBi。Liu等[13]采用米字型縫隙對(duì)方形貼片陣列超表面進(jìn)行耦合饋電，得到了軸比帶寬為14.5%、增益高于7 dBi的圓極化天線。以上研究表明，通過加載超表面可以擴(kuò)展縫隙天線的軸比帶寬和提高輻射增益。

基于以上研究現(xiàn)狀，為了進(jìn)一步提高環(huán)形縫隙天線的工作性能，本文提出將一種5×5陣列方形貼片組成的超表面直接覆蓋在微帶線饋電的短路方環(huán)縫隙天線上方，實(shí)現(xiàn)了低剖面、寬頻圓極化、高增益天線設(shè)計(jì)，分析了天線圓極化輻射的工作機(jī)制，仿真分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)天線反射系數(shù)與軸比的影響規(guī)律和天線的工作性能。仿真結(jié)果表明，天線具有良好的阻抗帶寬、軸比帶寬和輻射特性，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 天線設(shè)計(jì)

天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，由超表面和微帶線饋電的短路方形環(huán)縫隙天線構(gòu)成。超表面由5×5陣列方形金屬貼片組成，印制在相對(duì)介電常數(shù)為3.38的介質(zhì)基板的上表面，如圖1(a)所示。帶有短路方形環(huán)縫隙的接地金屬面印制在相對(duì)介電常數(shù)為4.4的介質(zhì)基板的上表面，其下表面是饋電微帶線，如圖1(b)所示，其中α是金屬短路片與饋電微帶線之間的夾角，用以表征短路片在方形環(huán)縫隙內(nèi)的位置。利用HFSS軟件對(duì)天線進(jìn)行仿真分析，優(yōu)化得到的天線結(jié)構(gòu)參數(shù)值如表1所示。天線整體尺寸為0.84λ×0.84λ×0.059λ(λ為圓極化工作頻帶的中心頻率6.3 GHz對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng))，具有低剖面特性，易與載體共形。

圖1 天線的結(jié)構(gòu)圖

表1 天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)值 mm

方環(huán)縫隙內(nèi)寬度為d的短路片可以看作是一個(gè)微擾，可以調(diào)節(jié)天線的極化狀態(tài)。當(dāng)短路片的位置恰當(dāng)時(shí)，天線會(huì)產(chǎn)生良好的圓極化輻射。為了說明天線形成圓極化輻射的工作原理，研究了超表面金屬貼片上的面電流矢量分布規(guī)律。當(dāng)α=45°，頻率為6 GHz，相位φ分別為0°、90°、180°、270°時(shí)超表面上的面電流矢量分布如圖2所示。由圖2可以看出，隨著相位的增加，面電流矢量方向呈現(xiàn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，形成了左旋圓極化輻射。

圖2 不同相位時(shí)超表面上面電流矢量分布

2 參數(shù)分析

為了實(shí)現(xiàn)天線的寬帶圓極化工作特性，需要對(duì)方環(huán)縫隙內(nèi)短路片的位置和超表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，仿真分析了不同參數(shù)對(duì)天線性能的影響。圖3給出了短路片的位置對(duì)天線的反射系數(shù)和軸比的影響。從圖3(a)可以看出，隨著α的增大，阻抗匹配越來越好，但低頻端的反射逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致阻抗帶寬逐漸變窄；圖3(b)則表明，隨著α的增大，低頻端的軸比在降低，軸比帶寬有所增大，但中心頻率處的軸比性能在逐漸惡化。

圖3 α對(duì)天線性能的影響

天線的反射系數(shù)和軸比隨超表面介質(zhì)基板厚度h的變化規(guī)律如圖4所示。由圖4(a)可以看出，隨著超表面介質(zhì)基板厚度h的增加，低頻端的阻抗匹配越來越好，中心頻率向低頻移動(dòng)，天線的阻抗帶寬基本保持不變；圖4(b)則說明，h對(duì)天線的軸比性能影響較大，當(dāng)h=2 mm時(shí)，軸比帶寬達(dá)到最大；其余取值時(shí)，軸比均產(chǎn)生一定程度惡化。

圖4 h對(duì)天線性能的影響

超表面方形貼片單元的邊長(zhǎng)p對(duì)天線的反射系數(shù)和軸比的影響曲線如圖5所示。由圖5(a)可見，p對(duì)天線的反射系數(shù)影響較小，阻抗帶寬基本保持不變；圖5(b)體現(xiàn)出，隨著p的逐漸增大，高頻端的軸比性能越來越好，低頻端的軸比變化較小，軸比帶寬逐漸變窄。

圖5 p對(duì)天線性能的影響

以上仿真結(jié)果表明，可通過調(diào)節(jié)方環(huán)縫隙內(nèi)短路片的位置和超表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)天線阻抗帶寬和軸比帶寬的優(yōu)化。

3 天線仿真性能

在參數(shù)優(yōu)化基礎(chǔ)上，仿真分析了天線的工作性能。圖6給出了天線的反射系數(shù)曲線，圖7為天線的軸比和增益。由圖6可知，天線的-10 dB阻抗帶寬為47.9%(4.82～7.86 GHz)。從圖7可以看出，天線的3 dB軸比帶寬為21.5%(5.65～7.01 GHz)，在圓極化工作帶寬內(nèi)，天線增益高于5 dBi，最大增益達(dá)到了7.26 dBi。

圖6 天線反射系數(shù) 圖7 天線軸比和增益

天線在6 GHz時(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖如圖8所示。很顯然，天線的極化方式為左旋圓極化，在主輻射方向上，交叉極化比高于20 dB，體現(xiàn)出天線具有良好的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射性能。

圖8 天線在頻率為6 GHz時(shí)的輻射方向圖

4 結(jié) 論

文本提出了一種加載超表面的短路方形環(huán)縫隙天線。通過合理設(shè)置方環(huán)縫隙內(nèi)短路片的位置，天線實(shí)現(xiàn)了寬帶圓極化工作性能。仿真結(jié)果表明，天線的阻抗帶寬為47.9%，3 dB軸比帶寬達(dá)到了21.5%，在圓極化工作頻帶內(nèi)，天線增益高于5 dBi，最大增益為7.26 dBi。天線具有低剖面、寬頻帶和良好的圓極化輻射性能，在無線通信系統(tǒng)中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。