基于超表面的低剖面高增益圓極化天線

劉長(zhǎng)青 張量， 萬(wàn)志偉 俞興傳 黃志祥 吳先良，

（1. 安徽大學(xué) 計(jì)算智能與信號(hào)處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230601；2. 合肥師范學(xué)院安徽省電子信息系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230601）

引 言

隨著現(xiàn)代無(wú)線電技術(shù)的飛速發(fā)展，無(wú)線通信系統(tǒng)、雷達(dá)導(dǎo)航、載體隱身等領(lǐng)域取得了巨大的突破. 日漸復(fù)雜的系統(tǒng)和多任務(wù)工作模式對(duì)天線研究者提出了更加嚴(yán)格的要求. 滿足多個(gè)天線指標(biāo)集成在一個(gè)天線上，成為當(dāng)前天線研究中一個(gè)非常重要的方向. 基于超表面多功能的天線，可以很好地滿足復(fù)雜系統(tǒng)和多任務(wù)的工作需求，因此通過(guò)超材料實(shí)現(xiàn)圓極化高增益的低剖面天線引起了專(zhuān)家和學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-4].

超表面是一種二維超材料結(jié)構(gòu)，具有低剖面、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、低損耗等，在極化控制和提高增益方面有許多顯著的優(yōu)點(diǎn). 超材料已被應(yīng)用于天線領(lǐng)域，用以改善天線性能，如提高輻射增益、改善阻抗帶寬，以及減小各種天線的尺寸等[5-7]. 文獻(xiàn)[8]提出了一種基于棋盤(pán)式極化轉(zhuǎn)換超表面的天線，將超表面放在距離饋源天線上方12 mm處，可以實(shí)現(xiàn)高增益和圓極化，但是天線的體積太大，不易加工和安裝. 文獻(xiàn)[9]將超表面放置在線極化天線上方，可以把線極化信號(hào)轉(zhuǎn)化成圓極化信號(hào)，但是天線的軸比(axial ratio, AR)帶寬比較窄. 文獻(xiàn)[10]將4×4周期結(jié)構(gòu)的超表面放置在相同邊長(zhǎng)尺寸的縫隙天線上，可以使線極化波轉(zhuǎn)化成圓極化波，同時(shí)也使天線的阻抗帶寬得到增加，但增益改善的并不是很多.

本文提出了一種基于縫隙耦合超材料表面的天線，其不僅可以在工作頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)高增益，還能在很寬的頻帶內(nèi)產(chǎn)生圓極化波. 與基于超表面的F-P諧振腔天線相比，所提出的天線具有較高的增益和較低的輪廓等重要優(yōu)點(diǎn)，這意味著它可以應(yīng)用于許多領(lǐng)域. 最后，加工出天線樣品并在微波暗室中測(cè)量. 仿真和測(cè)量結(jié)果顯示出良好的一致性.

1 天線設(shè)計(jì)與分析

1.1 天線結(jié)構(gòu)

圖1顯示了天線的結(jié)構(gòu)圖，該天線由微帶縫隙天線和超材料表面組成. 超材料表面緊挨著覆蓋在縫隙天線的上方，其由4×4個(gè)一邊切角一邊切鋸齒形的正方形金屬單元組成，如圖1(a)所示. 縫隙天線是在基板的一側(cè)全金屬地面開(kāi)一個(gè)矩形縫，基板的另一側(cè)有一個(gè)50 Ω微帶線，其長(zhǎng)度和寬度都用來(lái)調(diào)節(jié)阻抗匹配. 本文所設(shè)計(jì)的天線介質(zhì)板均采用介電常數(shù) εr=3.55、損耗角正切δ=0.0027的Rogers4003. 經(jīng)過(guò)優(yōu)化最終得到：c1= 1.4 mm，c2= 2.4 mm，a= 4.8 mm，d= 0.3 mm，L= 30 mm，L1=4.9 mm，Ls= 14 mm，Ws=2 mm，Wf= 1.13 mm，h0=1.5 mm，h1= 0.508 mm.

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Geometry of the proposed antenna

1.2 超表面分析

與傳統(tǒng)的微帶線饋電陣列天線相比，采用縫隙耦合饋電的超表面天線結(jié)構(gòu)更加緊湊. 為了進(jìn)一步縮小天線尺寸，對(duì)三種不同的超表面天線進(jìn)行對(duì)比，如圖2(a)、(b)、(c)所示：天線A，超表面采用傳統(tǒng)的正方形兩邊切等角結(jié)構(gòu)；天線B，超表面采用正方形兩邊切不等角結(jié)構(gòu)；天線C，超表面采用正方形一邊切角一邊切鋸齒形結(jié)構(gòu). 在超表面單元周期結(jié)構(gòu)相同的情況下，仿真結(jié)果如圖3所示，可以看出，天線C的AR頻率最低，說(shuō)明要實(shí)現(xiàn)相同的工作頻率，天線C的尺寸會(huì)更小. 通過(guò)超表面單元表面電流也能看出，如圖4(a)、(b)所示，電流主要集中在切的長(zhǎng)邊處，通過(guò)切“鋸齒形”來(lái)增加電流的流經(jīng)長(zhǎng)度，可以達(dá)到減小超表面大小的目的.

圖2 三種天線的超表面Fig. 2 Metasurfacefor three antennas

圖3 三種不同超表面天線的AR仿真結(jié)果Fig. 3 AR simulation results of three different metasurface antennas

圖4 天線超表面單元的表面電流Fig. 4 Surface current of antenna metasurface unit

1.3 圓極化分析

我們采用一個(gè)等效電路來(lái)解釋產(chǎn)生圓極化的原因，為此重新繪一個(gè)藍(lán)色方型封閉模型，其可以被視為一個(gè)新的單元，如圖1(a)所示. 當(dāng)把超表面放置于縫隙天線上方時(shí)，可以把超表面產(chǎn)生的電場(chǎng)E分解為兩個(gè)正交分量，即E1和E2，如圖1(b)所示. 如果單元的對(duì)角沒(méi)有被截?cái)?，如圖1(c)，由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，正交分量E1和E2產(chǎn)生相同阻抗，且阻抗表示為[2,11]

式中：R和L分別表示每個(gè)單元的電阻和電感；C表示相鄰的和相對(duì)的單元之間的間隙所產(chǎn)生的電容. 如果對(duì)角被截?cái)啵鐖D1(b)，E1和E2將分別產(chǎn)生不同的阻抗，表達(dá)式如下：

由于切角加寬了相鄰對(duì)角之間的縫隙，使得Z1中 的 阻 抗 值增大，Z2中的阻抗值減小，因此可通過(guò)改變兩邊切角值的大小來(lái)改變Z1與Z2的相位差. 當(dāng)超表面中|Z1|=|Z2|和∠Z2?∠Z1= 90°時(shí)，有|E1|=|E2|，∠E2?∠E1=90°.

圖5給出了有無(wú)超表面的縫隙天線的反射系數(shù)、增益和AR對(duì)比結(jié)果. 可以看到，帶有超表面的天線在9.6～10.7 GHz內(nèi)出現(xiàn)了圓極化特性，同時(shí)阻抗帶寬也拓寬了，說(shuō)明此超表面天線具有產(chǎn)生圓極化波的能力. 此外，天線的增益和阻抗帶寬也得到了改善.

圖5 有無(wú)超表面縫隙天線的反射系數(shù)、增益和AR對(duì)比Fig. 5 Comparison of reflection coefficient, gain and AR withor without metasurface slot antenna

文獻(xiàn)[12]中研究表明，同時(shí)激發(fā)兩種諧振模式（TM10模式和反相位TM20模式）加載在槽形天線上的超材料表面，可以實(shí)現(xiàn)低剖面寬帶高增益特性. 本文為了進(jìn)一步研究超表面天線的工作機(jī)理，采用對(duì)角截?cái)嘟堑脑O(shè)計(jì)，使得阻抗匹配帶寬得到改善，且對(duì)增益值的影響較小. 圖6給出了兩個(gè)阻抗諧振點(diǎn)（9 GHz和10.3 GHz)的電場(chǎng)分布圖，驗(yàn)證了其兩種諧振模式： TM10模式和反相TM20模式.

圖6 不同頻率下兩種諧振模式Fig. 6 Two resonance modes at different frequencies

2 測(cè)量和仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果，本文加工了一個(gè)尺寸為30 mm×30 mm×2 mm的天線樣本，天線采用50 Ω的SMA接頭連接. 對(duì)超表面天線進(jìn)行了測(cè)量，使用Agilent E5071A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量天線的反射系數(shù)，在無(wú)反射波的微波暗室中測(cè)量天線的AR和增益，如圖7(a)所示.

圖7 天線測(cè)試場(chǎng)景及其結(jié)果對(duì)比Fig. 7 Antenna test environment and results comparison

圖7(b)給出了超表面天線仿真和測(cè)量的反射系 數(shù) 的 結(jié) 果，S11＜?10dB的 仿 真 帶 寬 為 8.46～11.1 GHz (27%)，實(shí)測(cè)帶寬為 8.5～11.2 GHz (27.4%).雖然有所偏差，但整體顯示出良好的一致性. 圖7(c)是超表面天線的測(cè)量和仿真的AR曲線對(duì)比圖，實(shí)測(cè)的圓極化帶寬(A R＜3dB)為9.9～11.2 GHz(12.3%)，而仿真的帶寬為9.6～10.7 GHz(10.3%)，由于加工誤差和測(cè)量環(huán)境等原因使AR向高頻偏移. 圖7(d)為超表面天線仿真和測(cè)量的增益與頻率的關(guān)系，可以看出在整個(gè)工作頻帶內(nèi)實(shí)測(cè)和仿真的天線增益均大于7.5 dB，最大增益可以達(dá)到10.5 dB.

圖8所示為天線在9 GHz和10.5 GHz頻率處的測(cè)量和仿真遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖，仿真和測(cè)量之間的差異主要是由于測(cè)試環(huán)境和制造以及裝配誤差造成的. 圖7和圖8中測(cè)試與仿真的結(jié)果整體上顯示出了良好的一致性，驗(yàn)證了超表面天線可以產(chǎn)生圓極化波，同時(shí)可以提高天線增益和拓寬阻抗帶寬.

圖8 天線在不同頻點(diǎn)的仿真和測(cè)試方向圖Fig. 8 Antenna simulated and measured radiation patterns at different frequencies

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種超材料表面，將其緊貼著加載到微帶縫隙天線的正上方來(lái)實(shí)現(xiàn)低剖面. 通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，加載超表面后的天線，實(shí)現(xiàn)圓極化的同時(shí)在整個(gè)工作帶寬內(nèi)也提高了天線的增益. 由于天線具有低剖面易于與載體共形等特點(diǎn)，使得天線可以廣泛地應(yīng)用于通信系統(tǒng)、雷達(dá)導(dǎo)航等領(lǐng)域. 希望本論文的研究?jī)?nèi)容能為低剖面高增益圓極化天線的發(fā)展做出微薄的貢獻(xiàn)，也能為后續(xù)的研究者帶來(lái)一定的借鑒和啟發(fā).