容性加載的寬帶緊湊型圓極化超表面天線

陳東旭，車(chē)文荃，楊琬琛，薛 泉*

(1.河海大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.華南理工大學(xué) 電子信息學(xué)院，廣東 廣州 510641)

0 引言

圓極化天線[1-3]因具有減少極化失配等優(yōu)點(diǎn)，常被用于全球定位、移動(dòng)衛(wèi)星等通信系統(tǒng)中。過(guò)去，最常見(jiàn)的圓極化天線形式是貼片天線，這類天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低和易集成等優(yōu)點(diǎn)，但也存在帶寬窄、增益低等缺點(diǎn)，無(wú)法滿足現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)大信道容量的需求。

近年來(lái)，超表面結(jié)構(gòu)因具有獨(dú)特的電磁特性[4-6]而被用作直接輻射體來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能天線[7-18]，具有高增益、寬帶和低剖面等優(yōu)點(diǎn)，但其整體尺寸遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)貼片天線，不利于陣列設(shè)計(jì)和集成。目前超表面天線的小型化方法主要包括：減小相鄰超表面單元間的間隙[11]、加載諧振結(jié)構(gòu)以增加電流路徑[12-14]和使用高介電常數(shù)的介質(zhì)板材[11]等，但受加工限制，通常存在減小尺寸有限、帶寬窄等問(wèn)題。因此，在保持高增益和寬帶特性的同時(shí)，設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)緊湊的超表面圓極化天線是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。為此，提出了一種緊湊的跨層容性加載超表面結(jié)構(gòu)，結(jié)合45°斜縫隙耦合的饋電方式，在小尺寸情況下，實(shí)現(xiàn)了具有寬帶特性的圓極化超表面天線。

1 小型化的跨層容性加載超表面結(jié)構(gòu)

1.1 常規(guī)的方形超表面結(jié)構(gòu)

常見(jiàn)的方形超表面結(jié)構(gòu)(Metasurface，MS)如圖1所示，一般由方形金屬貼片、單層介質(zhì)基板和金屬地板組成，其等效電路模型為一并聯(lián)諧振回路[4，11]，如圖1(c)所示。其表面阻抗由對(duì)地電感Ld和單元間間隙形成的邊緣電容C0并聯(lián)而得，諧振頻點(diǎn)f0的計(jì)算公式為：

(a) 正視圖 (b) 側(cè)視圖 (c) 等效電路模型

(1)

式中，邊緣電容C0和對(duì)地電感Ld可近似為：

(2)

Ld=μh0。

(3)

由此可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于常見(jiàn)的方形超表面結(jié)構(gòu)，其邊緣電容C0的大小主要取決于由金屬貼片的寬度W1及金屬貼片間的間隙寬度G1，而等效電感Ld的大小主要取決于介質(zhì)基板的厚度h0。因此，當(dāng)介質(zhì)基板選定時(shí)，超表面結(jié)構(gòu)的諧振頻率f0主要取決于金屬貼片的寬度W1及貼片之間的間隙寬度G1。

1.2 跨層容性加載超表面結(jié)構(gòu)的提出及小型化機(jī)理

基于以上方形超表面結(jié)構(gòu)的等效電路，結(jié)合式(1)可知，若想實(shí)現(xiàn)超表面結(jié)構(gòu)的小型化，選擇合適的方式來(lái)增加等效電容是一種有效的方法。當(dāng)?shù)刃щ娙菰黾訒r(shí)，諧振頻點(diǎn)會(huì)相應(yīng)地降低，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的小型化。因此，提出了一種新型的跨層容性加載技術(shù)，通過(guò)在方形超表面結(jié)構(gòu)上方加載印制有堆疊金屬貼片的薄介質(zhì)板以引入額外的跨層電容，從而降低諧振頻點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)超表面結(jié)構(gòu)的小型化。具體結(jié)構(gòu)如圖2(a)和(b)所示，長(zhǎng)度為L(zhǎng)a、寬度為Wa的堆疊貼片印制于厚度為h2的薄介質(zhì)基板上，且放置于下層方形金屬貼片之間間隙的正上方，與方形金屬貼片跨層重疊。

與方形超表面結(jié)構(gòu)類似，提出的跨層容性加載超表面結(jié)構(gòu)的等效電路模型仍為并聯(lián)諧振回路，但額外引入了跨層電容CS，如圖2(c)所示。其中，電容C0仍由下層方形金屬貼片間的縫隙提供，等效電感Ld由地板提供，而跨層電容CS則由上層堆疊貼片與下層方形金屬貼片的重疊產(chǎn)生，且通過(guò)調(diào)節(jié)堆疊貼片的大小，可以調(diào)節(jié)跨層電容CS的大小。因此，2個(gè)跨層電容CS與一個(gè)邊緣電容C0形成了最終的等效電容。對(duì)應(yīng)地，其諧振頻點(diǎn)f′0為:

(a) 正視圖 (b) 側(cè)視圖 (c) 等效電路模型

(4)

顯然，與常見(jiàn)的方形超表面結(jié)構(gòu)相比(如式(1))，由于跨層電容CS的引入，所提出的跨層容性加載超表面結(jié)構(gòu)的諧振頻點(diǎn)會(huì)往低頻移動(dòng)。因此，從等效電路上驗(yàn)證了跨層容性加載技術(shù)能夠增大等效電容，降低諧振頻點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小型化的機(jī)理。

為驗(yàn)證上述等效電路的準(zhǔn)確性，采用Ansoft HFSS仿真軟件中的Floquet port周期模型對(duì)同一物理尺寸下的方形超表面結(jié)構(gòu)、跨層容性加載超表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析及性能對(duì)比，如圖3所示。

由圖3可以看到，方形超表面結(jié)構(gòu)的諧振頻點(diǎn)f0在7.65 GHz處產(chǎn)生，而跨層容性加載超表面結(jié)構(gòu)的諧振頻點(diǎn)f′0在5.2 GHz處產(chǎn)生，諧振頻點(diǎn)大大降低。表明跨層容性加載技術(shù)能夠在保證物理尺寸不改變的情況下，有效降低超表面結(jié)構(gòu)的諧振頻點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)小型化。這些分析結(jié)果也與上面等效電路的分析一致，驗(yàn)證了等效電路模型的準(zhǔn)確性。

圖3 2種超表面結(jié)構(gòu)的反射相位曲線

1.3 跨層容性加載超表面結(jié)構(gòu)的極化相關(guān)特性

超表面結(jié)構(gòu)的極化相關(guān)特性[15]是指當(dāng)超表面結(jié)構(gòu)在2個(gè)正交方向上的表面阻抗不同時(shí)，其反射相位特性與入射波的極化相關(guān)，常被用于設(shè)計(jì)圓極化天線[15]。對(duì)于所提出的跨層容性加載超表面結(jié)構(gòu)，因在x軸方向上加載堆疊貼片，而在y軸方向上未進(jìn)行加載，因而x軸方向與y軸方向上的表面阻抗不同，最終2個(gè)正交方向x，y方向上所展現(xiàn)出的反射相位曲線Φx，Φy也有很大區(qū)別，顯示出極化相關(guān)特性。當(dāng)Φx與Φy的差值為±90°時(shí)，能提供實(shí)現(xiàn)圓極化所需的x，y兩個(gè)正交分量的90°相位差。若入射波的極化方向?yàn)?5°時(shí)，則可以實(shí)現(xiàn)圓極化的輻射特性[15]。

圖4給出了所提出的跨層容性加載的超表面結(jié)構(gòu)在x，y軸2個(gè)方向上的相位差。

圖4 跨層容性加載的超表面結(jié)構(gòu)在x，y軸方向的相位差

可以發(fā)現(xiàn)，該超表面結(jié)構(gòu)在f1=5.2 GHz和f2=8.2 GHz這2個(gè)頻點(diǎn)處的相位差均為90°，這表明所提出的跨層容性加載超表面結(jié)構(gòu)具有潛在的寬帶圓極化特性。

2 寬帶小型化的圓極化超表面天線設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)具有寬帶小型化特性的圓極化超表面天線，下面將上述提出的小型化跨層容性加載超表面結(jié)構(gòu)作為直接輻射體進(jìn)行設(shè)計(jì)?；诳鐚尤菪约虞d超表面結(jié)構(gòu)的圓極化天線結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，超表面結(jié)構(gòu)采用4×4的單元排布方式，通過(guò)微帶線-斜耦合縫隙的饋電方式進(jìn)行激勵(lì)。從上至下，天線的結(jié)構(gòu)包括4層金屬層：堆疊金屬貼片層、方形金屬貼片層、蝕刻有斜耦合縫隙的金屬地板和50 Ω微帶線。天線所用的介質(zhì)均為Rogers RO4003C，天線的具體結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

表1 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)

(a) 側(cè)視圖

能量經(jīng)由微帶線輸入，再經(jīng)斜縫隙耦合至超表面結(jié)構(gòu)從而將能量輻射出去。這里，跨層電容的存在提供了實(shí)現(xiàn)圓極化所需的x，y兩個(gè)正交分量的90°相位差；而斜饋電縫隙則提供Ei方向的入射波，當(dāng)縫隙的傾斜角度θ為45°左右時(shí)，則可分解為2個(gè)等幅的正交入射波Ex和Ey，結(jié)合跨層容性加載超表面結(jié)構(gòu)所提供的90°相位差，則相應(yīng)地可以實(shí)現(xiàn)圓極化的輻射特性。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)更好的阻抗匹配，微帶線采用扇形開(kāi)路支節(jié)的結(jié)構(gòu)形式，而縫隙也采用階躍狀的結(jié)構(gòu)形式。

3 天線的仿真結(jié)果與性能比較

為了驗(yàn)證提出天線的可行性，采用PCB工藝對(duì)提出的跨層容性加載超表面天線進(jìn)行加工測(cè)試，實(shí)物如圖6所示。介質(zhì)基板均選用Rogers RO4003C板材，從上至下有3層介質(zhì)基板和4層金屬層；介質(zhì)基板的厚度分別為0.203，3.25和0.813 mm；4層金屬層分別為堆疊貼片層、方形金屬貼片層、耦合縫隙層和微帶線層。這里，不同層間采用導(dǎo)電膠高溫粘合的方式結(jié)合在一起，在金屬部分涂導(dǎo)電膠，使其進(jìn)行粘合。

圖6 所提出的圓極化超表面天線的加工實(shí)物

仿真與測(cè)試的|S11|、軸比和增益曲線對(duì)比如圖7所示?？梢钥吹?，測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果吻合很好。具體來(lái)看，所提出的跨層容性加載超表面天線的相對(duì)阻抗帶寬的測(cè)試結(jié)果為39.56%(5.82～8.69 GHz)；測(cè)試的3 dB軸比帶寬為26.98%(6.54～8.58 GHz)；測(cè)試的最大增益值為6 dBi，且增益曲線非常平坦。此外，歸一化的輻射方向圖如圖8所示。可以看到，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果幾乎完全一致，在整個(gè)平面內(nèi)右旋分量抑制均大于15 dB，呈現(xiàn)出很好的左旋圓極化輻射特性。因此，這些測(cè)試結(jié)果表明所提出的圓極化超表面天線具有良好的輻射特性。

(a) 阻抗系數(shù)特性

(a) xoz@8 GHz

本文提出的天線與部分文獻(xiàn)所設(shè)計(jì)的圓極化超表面天線[9-10，14，16]的比較如表2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，本文提出的基于跨層容性加載的圓極化超表面天線在尺寸和性能上均有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)，在保持寬帶特性的同時(shí)，將尺寸縮減至0.4λ0×0.4λ0；此外，與其他超表面天線的小型化方法[11-14]相比，提出的跨容性加載方式具有更多的設(shè)計(jì)自由度，有一定的使用價(jià)值和應(yīng)用前景。

表2 圓極化超表面天線比較

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于新型跨層容性加載超表面結(jié)構(gòu)的寬帶小型化圓極化天線，通過(guò)在方形貼片上加載跨層貼片的方式引入跨層電容，減小了超表面結(jié)構(gòu)的尺寸；結(jié)合斜縫耦合的饋電方式，實(shí)現(xiàn)了圓極化輻射。測(cè)量結(jié)果表明，天線的-10 dB阻抗帶寬為39.56%，3 dB軸比帶寬可達(dá)26.98%，帶內(nèi)最大增益可達(dá)6 dBi。輻射口徑僅為0.4λ0×0.4λ0，比傳統(tǒng)的方形貼片超表面天線減小了50%。該天線具有圓極化輻射性能良好、寬帶、小型化和低剖面等優(yōu)點(diǎn)，為現(xiàn)代寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)天線的實(shí)現(xiàn)提供了一種技術(shù)方案，也為圓極化超表面天線實(shí)現(xiàn)寬角掃描相控陣提供了潛在的可能。