基于超表面的超寬帶低剖面雙極化天線

劉桂鳳，杜 彪，何應(yīng)然

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

隨著通信系統(tǒng)朝著多功能、集成化、小型化的方向發(fā)展，要求天線具有小型化和寬頻帶工作的能力。同時，小型化寬頻帶天線技術(shù)也是天線技術(shù)的發(fā)展趨勢之一[1-5]。另一方面，由于能夠增大信道容量和較好地解決多徑傳播問題等優(yōu)點，雙極化天線被國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注[6-8]。因此，設(shè)計和研發(fā)寬頻帶低剖面的雙極化天線具有重要的實際應(yīng)用價值。

目前常用的雙極化形式天線主要有微帶天線和交叉偶極子天線兩大類。微帶天線雖然具有較低的剖面，但是帶寬一般較窄，很難滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)對天線寬頻帶的需求[9-11]；交叉偶極子天線由于具有頻帶寬、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于雙極化的設(shè)計中[12-14]。為了得到定向輻射，一般在距偶極子下方四分之一波長處加載金屬地板。這樣的距離能夠保證金屬地板的反射波與其入射波之間的相位差為0°，從而實現(xiàn)高增益和良好阻抗匹配。然而這樣的高度不能滿足交叉偶極子天線的低剖面要求。

近年來，學(xué)者們提出利用人工磁導(dǎo)體來實現(xiàn)偶極子低剖面的特性。由于人工磁導(dǎo)體具有同相反射相位特性，將人工磁導(dǎo)體作為反射板可以降低天線與反射板之間的距離[16-18]。文獻(xiàn)[16-17]中的偶極子天線雖然通過利用超表面實現(xiàn)了低剖面特性，然而文獻(xiàn)[16]中天線產(chǎn)生的雙頻帶帶寬分別為15.6%和9.3% (5.12～5.62 GHz)，文獻(xiàn)[17]中的天線帶寬為54.8%。為了進(jìn)一步拓展交叉偶極子天線的帶寬，本文在超表面陣列與金屬地板之間加載了空氣層。此外，與之前超表面陣列傳統(tǒng)布局不同，為了抑制超表面對天線高頻段性能的影響，本文對其周期結(jié)構(gòu)進(jìn)行了切角設(shè)計。最終設(shè)計和加工了天線樣機(jī)，在0.81～2.35 GHz(97.4%)內(nèi)，天線的電壓駐波比小于2，且該天線具有良好的端口隔離度和定向輻射的方向圖，天線增益為5～11 dBi。

1 超表面陣列的工作原理

1.1 超表面單元特性分析

超表面單元結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。貼片印制在介電常數(shù)為3.66，厚度t=0.8 mm的Rogers RO 4350介質(zhì)板上。為了能夠得到相對較寬的同相反射相位帶寬，在貼片與地板之間采用空氣層設(shè)計(高度為cH)。文獻(xiàn)[18]給出了同相反射相位帶寬的定義，即反射相位-90°～+90°所對應(yīng)的頻率范圍。

圖1 超表面單元結(jié)構(gòu)

圖2給出了超表面單元同相反射相位頻段隨不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化曲線。圖2中的仿真結(jié)果均是單元結(jié)構(gòu)在周期邊界條件下得到的。由圖2可以看出，通過改變單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以實現(xiàn)特定頻段內(nèi)的同相反射相位特性。最終，根據(jù)所需要的工作頻帶(0.8～1.79 GHz)，確定該超表面單元的周期P=14.7 mm，貼片邊長cl=13.3 mm，單元間距g=0.7 mm，超表面與地板之間的距離H2=32.2 mm。圖3給出了該超表面單元同相反射相位仿真結(jié)果。可以看出，同相反射相位帶寬為0.8～1.79 GHz。

(a) 不同cl對應(yīng)的反射相位

圖3 超表面反射相位仿真結(jié)果

1.2 超表面陣列

在分析超表面單元性能時，采用了周期邊界條件，假定超表面陣列具有無限大的周期結(jié)構(gòu)，但是在實際應(yīng)用中這是不可能實現(xiàn)的，超表面陣列的單元數(shù)量會對其加載到天線之后的整體性能產(chǎn)生影響。因此，給出了不同數(shù)量超表面陣列加載的雙極化偶極子天線的性能對比。圖4分別展示了13×13、15×15和17×17三種超表面陣列加載的偶極子天線。

圖4 超表面陣列加載的偶極子天線

圖5給出了這三種超表面陣列加載的偶極子天線性能的仿真結(jié)果。由圖5(a)可以看出，加載的超表面數(shù)量越多，天線的電壓駐波比越好。由圖5(b)可以看出，加載的超表面數(shù)量越多，天線高頻段的增益反而下降，并且加載的數(shù)量越多，天線的尺寸就會越大。因此，本文最終選擇超表面陣列的單元數(shù)量為15×15，尺寸為220.5 mm×220.5 mm。

(a) 電壓駐波比

2 天線設(shè)計

2.1 超表面陣列加載天線

超表面陣列加載天線的結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。該雙極化天線由兩對垂直放置的偶極子天線(偶極子1和偶極子2)、超表面陣列、金屬墻和金屬地板組成。兩對偶極子天線印制在介電常數(shù)為3.66，損耗角正切為0.004，厚度為0.8 mm的Ros4350介質(zhì)板上。偶極子天線和超表面結(jié)構(gòu)被金屬墻包圍。超表面陣列由161個金屬貼片單元結(jié)構(gòu)組成，該超表面陣列放置在偶極子天線的下方，距其高度為H1。超表面陣列為15×15個單元的周期布陣，在4個角分別挖去4×4個單元，最終得到了161個單元的超表面陣列，其距金屬地板的高度為H2。天線參數(shù)如下：L=130 mm，L1=220.5 mm，Lg=300 mm，Lm=224.5 mm，H=38 mm，H1=4.2 mm，H2=32.2 mm。

(a) 整體圖

2.2 天線設(shè)計過程

為了能夠清晰地理解天線的設(shè)計思路，圖7給出了該天線的設(shè)計過程。圖8給出了這5個天線電壓駐波比和輻射方向圖的仿真結(jié)果。

圖7 天線的設(shè)計過程

(a) 電壓駐波比

首先雙極化天線由2對正交的偶極子天線組成。由于采用了正交的偶極子，能夠引入附加的諧振點，從而拓展了天線的帶寬。為了得到單向輻射的方向圖，在偶極子天線下方放置了金屬地板，得到天線1。天線1中偶極子距金屬地板的高度H=88 mm，是最低工作頻率的四分之一個波長。由圖8(a)可知，天線1在0.85～2.3 GHz頻帶內(nèi)電壓駐波比小于2，然而其在2 GHz頻率的方向圖裂瓣。

為了實現(xiàn)低剖面，將天線1中偶極子距金屬地板的高度H由88 mm減小至38 mm，得到了天線2。由圖8(a)可知，由于剖面的降低，低頻處天線2的電壓駐波比升高，且電壓駐波比小于2的頻帶向高頻移動。由圖8(b)可知，天線在2 GHz頻率的方向圖裂瓣情況得到改善。

為了改善天線電壓駐波比，根據(jù)1.2節(jié)研究的結(jié)果，在天線2中加載了15×15個單元的超表面陣列，且距金屬地板和正交偶極子距離分別是32.2，4.2 mm，即天線3?？梢钥闯觯皖l處的駐波得到了明顯改善，但高頻段的駐波和輻射方向圖變差。

為了進(jìn)一步改善天線3的電壓駐波比和高頻段的輻射方向圖，在天線3周圍加載了短路金屬墻，得到了天線4。由圖8(a)可知，天線4整個頻帶的電壓駐波比得到了改善，但是2 GHz頻率的方向圖仍有裂瓣。

為了分析方向圖裂瓣的原因，圖9給出了超表面陣列的色散曲線?？梢钥闯?，超表面結(jié)構(gòu)在頻率低于2 GHz時，2條表面波的色散曲線與光線的色散曲線重合，表明該結(jié)構(gòu)不能傳播表面波，因此在該頻段內(nèi)不存在表面波；當(dāng)頻率高于2 GHz時，模式1的色散曲線與光線的色散曲線開始分離，表明2 GHz以上開始出現(xiàn)表面波。表面波的出現(xiàn)會對天線的匹配和輻射特性產(chǎn)生一定的影響。

圖9 超表面色散曲線

為了抑制表面波傳播，進(jìn)而改善高頻段的匹配和方向圖，將超表面陣列的4個頂角分別挖去4×4個單元的周期結(jié)構(gòu)，形成天線5。圖10給出了在2 GHz頻率處天線4和5的超表面上表面波電流分布，可知切角設(shè)計的天線5的超表面上表面波電流明顯減弱，表面波得到了有效抑制。由圖8可知，天線5在 0.8～2.1 GHz頻帶內(nèi)電壓駐波比小于2，且方向圖的裂瓣情況得到了改善。

(a) 天線4

3 天線樣機(jī)與測試驗證

為了驗證該天線設(shè)計的正確性，加工了天線樣機(jī)，并且進(jìn)行了測試，天線樣機(jī)和測試場地的照片如圖11所示。

圖11 天線樣機(jī)和測試照片

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試了該天線電壓駐波比和端口隔離度；該天線的遠(yuǎn)場輻射性能(方向圖和增益等)在微波暗室測試得到。需要說明的是，當(dāng)給一個端口饋電時，另一個端口連接50 Ω的匹配負(fù)載。由于2個端口的傳輸和輻射性能的測試結(jié)果基本相同和篇幅限制，下面僅給出端口1饋電時的天線性能測試結(jié)果。

圖12給出了天線端口1的測試電壓駐波比和端口隔離度。可以看出，該天線測試的電壓駐波比小于2的頻帶為0.81～2.35 GHz；在該工作頻帶內(nèi)，端口隔離度大于15 dB。

圖12 電壓駐波比和端口隔離度測試結(jié)果

圖13 給出了天線端口1在0.9，1.2，1.6，1.8，2 GHz的實測歸一化輻射方向圖，其中圖13(a)為XOZ面輻射方向圖；圖13(b)為YOZ面輻射方向圖?？梢钥闯?，在工作頻帶內(nèi)，天線具有穩(wěn)定的輻射方向圖。

(a) XOZ面

圖14給出了天線增益的測試結(jié)果。可以看出，在工作頻帶內(nèi)，天線的增益為5～11 dBi。

圖14 測試的天線增益

4 結(jié)束語

本文提出了一款基于超表面的超寬帶低剖面雙極化天線。通過加載具有寬帶同相反射相位特性的超表面結(jié)構(gòu)，在保證寬頻帶的情況下，實現(xiàn)了正交偶極子天線的低剖面特性。此外，為了抑制表面波對天線性能的影響，對超表面陣列進(jìn)行了切角設(shè)計。仿真與測試結(jié)果表明，在0.81～2.35 GHz(97.4%)頻帶內(nèi)，天線的電壓駐波比小于2，端口隔離度大于15 dB，增益為5～11 dBi，且天線的剖面高度僅為38 mm(0.1λL，λL為最低頻點對應(yīng)的波長)。