基于特征模分析的寬帶超表面天線設(shè)計

李 治，馬潤波，韓麗萍

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院，山西 太原 030006)

隨著社會信息化進(jìn)程不斷加速，無線通信的重要性日益彰顯.天線作為電磁波收發(fā)裝置，其性能好壞與無線通信質(zhì)量和效率直接相關(guān).微帶天線因其具備剖面低，尺寸小，重量輕，成本低等優(yōu)點(diǎn)受到了研究人員的廣泛關(guān)注，但較高的品質(zhì)因子導(dǎo)致其帶寬較窄.傳統(tǒng)提高微帶天線帶寬的方法有：寄生貼片、厚空氣介質(zhì)、縫隙加載和電容耦合饋電等[1-4].加載寄生貼片和厚空氣介質(zhì)增加了天線的尺寸，不規(guī)則縫隙以及寄生貼片的數(shù)量提升了天線的分析難度.近年來，超表面因其超常的物理特性引起了研究人員的廣泛關(guān)注，將超表面放置于微帶天線周圍，可以激發(fā)準(zhǔn)多次模，加強(qiáng)諧振特性，從而展寬帶寬.

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對寬帶超表面天線展開了一系列的研究，并取得了一定的成果.文獻(xiàn)[5-8]通過激勵超表面的模式實現(xiàn)寬帶.文獻(xiàn)[5]通過在超表面單元刻蝕縫隙引入新的諧振模式，多個模式組合在一起實現(xiàn)了36%的帶寬；文獻(xiàn)[6]采用鋸齒形條帶激勵超表面的3個模式，實現(xiàn)了37%的帶寬；文獻(xiàn)[7]通過分裂超表面單元使天線的帶寬達(dá)到了16.6%；文獻(xiàn)[8]根據(jù)非均勻超表面的模式因子和表面電流，旋轉(zhuǎn)超表面單元使得超表面的兩個模式靠近，天線的帶寬為15.8%.文獻(xiàn)[9-13]通過組合超表面和縫隙天線的諧振模式實現(xiàn)寬帶.文獻(xiàn)[9-10]采用縫隙耦合激勵超表面，超表面的諧振模式和縫隙天線的諧振模式結(jié)合，天線的帶寬分別為31%和30.3%；文獻(xiàn)[11]通過矩形介質(zhì)諧振腔激勵超表面，組合介質(zhì)諧振腔的諧振模式和超表面的諧振模式，天線的阻抗帶寬為29.7%；文獻(xiàn)[12]采用介質(zhì)集成縫隙波導(dǎo)激勵超表面，縫隙的諧振模式和超表面的諧振模式組合在一起實現(xiàn)了35.5%的帶寬；文獻(xiàn)[13]通過調(diào)整超表面方形環(huán)的寬度，產(chǎn)生了兩個相鄰的諧振模式，結(jié)合縫隙天線的諧振模式，其工作寬帶達(dá)到了54%.文獻(xiàn)中大部分天線的帶寬低于40%，本文的設(shè)計目標(biāo)是較大帶寬的超表面天線，并且在整個通帶內(nèi)具有穩(wěn)定的增益

本文設(shè)計了一種基于特征模分析的超表面天線.使用特征模理論分析方法，設(shè)計了具有良好輻射性能的寬帶超表面結(jié)構(gòu).采用縫隙耦合方式激勵超表面，通過組合超表面的諧振模式和縫隙天線的諧振模式實現(xiàn)寬帶.測量結(jié)果表明，該天線的工作頻段為5.5 GHz～9.5 GHz，在頻帶內(nèi)具有良好的輻射模式.

1 基于特征模分析的寬帶超表面

圖 1 給出了超表面演化過程，其中，超表面Ⅰ由4×4正方形貼片組成，超表面Ⅱ?qū)⒔锹滟N片分裂為3×3子陣，超表面Ⅲ在超表面Ⅱ的基礎(chǔ)上，將邊緣貼片進(jìn)一步分裂為4×4子陣.設(shè)計的超表面工作在5.5 GHz～7.5 GHz頻段，通過商業(yè)仿真軟件CST對超表面進(jìn)行特征模分析.圖 2 給出了超表面Ⅰ前10個模式的MS(Modal Significance)值隨頻率的變化，由圖 2 可知，模式1和模式2、模式3和模式4、模式5和模式6、模式7和模式10、模式8和模式9分別具有相同的諧振頻率和相似的頻率變化趨勢，是5組不同的簡并模式，所以只選擇模式1、模式3、模式5、模式7和模式9進(jìn)行分析.

圖 1 超表面演化過程

圖 2 超表面Ⅰ的模式因子

圖 3 給出了超表面Ⅰ在6.5 GHz時的特征電流和輻射模式，其中黑色箭頭表示電流方向.

圖 3 超表面Ⅰ的特征電流和輻射模式

由圖 3 可知，超表面在模式3的特征電流同向，具有良好的輻射模式，而在模式1、模式5、模式7和模式9存在反向電流，輻射模式的主瓣分裂、出現(xiàn)輻射零點(diǎn).圖 4 給出了模式3在 5.5 GHz 和 7.5 GHz 的特征電流和輻射模式.由圖 6 可知，在 5.5 GHz時，超表面的特征電流是同向的，產(chǎn)生了較好的輻射模式；在7.5 GHz時超表面存在反向電流，相對應(yīng)的輻射模式主瓣分裂，產(chǎn)生旁瓣.

圖 4 超表面Ⅰ在模式3的特征電流和輻射模式

圖 5 超表面Ⅱ的特征電流和輻射模式

為了改善超表面Ⅰ在7.5 GHz處的輻射模式，將角落貼片分裂為3×3的子陣，形成了超表面Ⅱ，其結(jié)構(gòu)如圖 1(b) 所示.由于分裂了角落貼片，模式3改變?yōu)槟Ｊ?.圖5給出了超表面Ⅱ的特征電流和輻射模式，可以看到將角落貼片分裂后，在5.5 GHz和6.5 GHz處的特征電流和輻射模式并沒有太大的變化；在7.5 GHz處，角落貼片的反向電流受到抑制，主瓣增強(qiáng)，輻射模式得到了改善，但超表面單元內(nèi)仍存在反向電流，產(chǎn)生旁瓣.在超表面Ⅱ的基礎(chǔ)上將邊緣貼片分裂成 4×4的子陣，形成了超表面Ⅲ，其結(jié)構(gòu)如圖 1(c) 所示.圖 6 給出了超表面Ⅲ的特征電流和輻射模式，由圖 6 可知，分裂角落貼片和邊緣貼片后，超表面的特征電流是同向的，主瓣增強(qiáng)，旁瓣消失，產(chǎn)生了良好的輻射模式.

圖 6 超表面Ⅲ的特征電流和輻射模式

2 寬帶超表面天線設(shè)計

在上述分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了縫隙耦合寬帶超表面天線，其結(jié)構(gòu)如圖 7 所示.

(a) 側(cè)視圖

天線由超表面和縫隙天線組成.超表面印刷在上層介質(zhì)基板，由4×4正方形貼片組成，角落貼片分裂為3×3子陣，邊緣貼片分裂為4×4子陣，其結(jié)構(gòu)如圖7(b)所示.縫隙天線印刷在下層介質(zhì)基板，由刻蝕了長方形縫隙的接地板和50 Ω的微帶線組成.微帶線通過接地板的縫隙激勵超表面，超表面的諧振模式和縫隙天線的諧振模式組合在一起實現(xiàn)寬頻帶.介質(zhì)基板選用聚四氟乙烯(PTFE)，相對介電常數(shù)和損耗角正切分別為2.2和0.002，采用商業(yè)仿真軟件CST建模分析，優(yōu)化的參數(shù)如表 1 所示.

表 1 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 結(jié)果與討論

天線印刷在相對介電常數(shù)為2.2的聚四氟乙烯介質(zhì)基板上，圖 8 為天線的實物圖.采用Agilent公司N5221A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量天線的反射系數(shù)，Lab-Volt公司8092型自動天線測量系統(tǒng)測量天線的輻射方向圖.

圖 8 天線的實物圖

圖 9 為天線仿真和測量的S參數(shù).由圖 9 可知，仿真的-10 dB阻抗帶寬為 5.39 GHz～8.96 GHz，測試的阻抗帶寬為53.4%(5.5 GHz～9.5 GHz).測量結(jié)果與仿真結(jié)果的差異主要源于天線的介電常數(shù)偏差以及加工誤差.

圖 9 天線的S參數(shù)

圖 10 給出了天線在6.1 GHz和8.5 GHz的歸一化輻射方向圖.從圖 10 中可以看出，測量與仿真結(jié)果基本一致，天線在6.1 GHz處輻射模式良好，8.5 GHz處略有惡化.

(a) at 6.1 GHz

圖 11 給出了所設(shè)計天線的增益曲線.由圖 11 可知，天線的增益范圍為7.8 dBi～10.8 dBi.另外，圖 11 給出了文獻(xiàn)[13]的增益曲線，可見文獻(xiàn)的天線增益在6 dBi～10.7 dBi之間變化，本文天線在工作頻帶范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的增益性能.

圖 11 天線的增益

表 2 給出了本文和文獻(xiàn)中寬帶超表面天線的性能比較.由表 2 可知，除文獻(xiàn)[13]中報道的天線以外，本文天線的帶寬最大.另外，本文天線的增益比大部分天線都高.與文獻(xiàn)[13]相比，本文增益較為穩(wěn)定.

表 2 寬帶超表面天線的性能比較

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種基于特征模分析的寬帶超表面天線.使用特征模理論分析方法，設(shè)計了具有良好輻射性能的寬帶超表面結(jié)構(gòu).采用縫隙耦合方式，通過組合超表面的諧振模式和縫隙天線的諧振模式實現(xiàn)了寬帶.測量結(jié)果表明，天線的相對帶寬為53.4%，增益為7.8 dBi～10.8 dBi，同時還具有較好的方向圖，并且結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，易于加工，具有較好的應(yīng)用前景.