基于漸變折射率超表面的寬帶高增益端射天線

張哲豪， 李 梅， 張藝曼，丁卓富， 唐明春

(1.重慶大學(xué) 微電子與通信工程學(xué)院，重慶 400044；2.成都雷電微力科技股份有限公司，四川 成都 610213)

0 引言

端射天線由于其獨(dú)特的遠(yuǎn)場方向圖特性得到廣大專家、學(xué)者的關(guān)注。根據(jù)其輻射特性，挖掘出了各種各樣的諸如室內(nèi)走廊、隧道和高速公路等應(yīng)用場景[1-6]。隨著5G技術(shù)的發(fā)展，要求通信系統(tǒng)具有小型化、大容量和高增益等特點，為了滿足實際應(yīng)用需求，端射天線要具備上述優(yōu)勢。

端射天線分為雙端射輻射和單端射輻射2種形式。采用陣列天線的形式是雙端射輻射的一種常用實現(xiàn)方式[7-11]。文獻(xiàn)[8]采用背對背的八木天線實現(xiàn)了雙端射輻射特性，但是由于其堆疊的多層引向器結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致該天線具有較大的三維尺寸，因此限制了其實際應(yīng)用。文獻(xiàn)[10]采用多個輻射單元級聯(lián)成為陣列從而實現(xiàn)雙端射輻射。文獻(xiàn)[11]提出了一種由6個方環(huán)級聯(lián)而成的雙端射天線。文獻(xiàn)[10-11]的方案具有低剖面特性，但在組陣方向不可避免地擴(kuò)大了尺寸(拓展到了約2.4λ0)。

近年來，超表面被廣泛應(yīng)用于天線單元及陣列的性能提升[12-16]。文獻(xiàn)[14-15]通過將水平偶極子放置在人工磁導(dǎo)體(AMC)上方，實現(xiàn)了雙端射設(shè)計。文獻(xiàn)[14]超表面由雙裂口諧振環(huán)組成，該超表面作為地板導(dǎo)致了雙端射天線具有非對稱的輻射方向圖。文獻(xiàn)[15]超表面由方形貼片組成，雖然該天線具有良好的雙端射輻射特性，但可實現(xiàn)帶寬僅約2%。文獻(xiàn)[16]通過采用偶極子激勵調(diào)制折射率超表面結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了在緊湊環(huán)境下具有寬帶效果的雙端射天線設(shè)計。

單端射天線相比于雙端射天線具有增益高、覆蓋距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢。國內(nèi)外研究人員提出了多種單端射天線設(shè)計方法，如采用微帶線和周期性排列的輻射單元組成的全金屬漏波天線[17]，也可以通過在基板兩側(cè)分別印刷水平極化和垂直極化的磁電偶極子實現(xiàn)單端射輻射[18]，但上述2種方式均面臨帶寬窄的問題。文獻(xiàn)[19-20]采用微帶線-槽線或微帶線-帶狀線等過渡結(jié)構(gòu)饋電八木天線實現(xiàn)寬帶化單端射天線，雖然該方案可以實現(xiàn)帶寬拓展，但高增益特性仍然與引向器的個數(shù)相關(guān)，由于受限于引向器陣元間距，要實現(xiàn)高增益，仍然需要較大的尺寸。

鑒于此，本文提出了一種基于漸變折射率超表面的緊湊、寬帶化、高定向性端射天線。采用傳統(tǒng)端射天線，結(jié)合具有表面波調(diào)控特性的漸變折射率超表面，在尺寸為0.644λ0×0.729λ0×0.017λ0的情況下，實現(xiàn)了85.5%的阻抗匹配帶寬，且在寬頻帶范圍內(nèi)，天線具有較穩(wěn)定的高增益定向輻射特性。

1 緊湊寬帶高定向性端射天線設(shè)計

1.1 漸變折射率超表面設(shè)計

根據(jù)弗洛奎定理可知，對于周期排列的超表面結(jié)構(gòu)，通過仿真單個單元的特性即可得到其周期結(jié)構(gòu)的特性。

如圖1所示，采用全波仿真軟件對超表面單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真[21]，空氣盒子的四周設(shè)置為周期邊界。上方和下方設(shè)置為PMC邊界，仿真得到不同尺寸情況下超表面單元的第一階模式的色散曲線如圖1(a)所示，圖中黑色虛線為自由空間中光線的色散曲線?？梢钥闯?，超表面單元的色散曲線均位于光線下方，說明其相速度比光線慢，此時超表面單元支持表面波模式。通過控制貼片邊長p的不同，可以實現(xiàn)對超表面波數(shù)kt的調(diào)控，而等效折射率n=kt/k0，kt為超表面結(jié)構(gòu)的波數(shù)，k0為自由空間中光線的波數(shù)。圖1(b)中離散點為不同超表面邊長情況下計算得到的相對折射率。

(a) 色散曲線

根據(jù)計算值，擬合出折射率n與貼片邊長p之間的關(guān)系：

由曲線的走勢可知，隨著貼片邊長p的增大，等效折射率n也增大，且n大于1。接下來將所設(shè)計的超表面結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于端射偶極子天線，使其在緊湊化情況下具有寬帶化、高增益定向特性。

1.2 基于漸變折射率超表面的寬帶化、高增益定向端射天線設(shè)計

如圖2所示，設(shè)計了一款基于漸變折射率超表面的緊湊、寬帶化、高增益單端射定向天線。該天線由單層介質(zhì)基板、階梯阻抗微帶線-槽線結(jié)構(gòu)、饋電偶極子及漸變折射率超表面四部分組成。介質(zhì)基板采用介電常數(shù)εr=4.4，厚度h=0.8 mm的FR-4材料。介質(zhì)基板下表面印制了微帶饋線結(jié)構(gòu)，其中直接與饋電端口連接的微帶線部分是寬度W5=1.5 mm的50 Ω傳輸線，未直接與饋電端口連接的微帶線部分采用階梯阻抗線形式。介質(zhì)基板下表面的階梯阻抗微帶線與介質(zhì)基板上表面槽線結(jié)合形成階梯阻抗微帶線-槽線結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)寬帶阻抗匹配。在槽線上方印制有準(zhǔn)八木天線結(jié)構(gòu)作為電磁波發(fā)射器。介質(zhì)基板上表面同樣印制有漸變折射率超表面結(jié)構(gòu)，該超表面結(jié)構(gòu)由3×6個亞波長貼片組成，且關(guān)于y軸對稱放置。

圖2 緊湊、寬帶化高定向性端射天線結(jié)構(gòu)

超表面部分的等效折射率n沿y軸中心向y軸正向和負(fù)向線性遞減，相應(yīng)地，貼片邊長也沿著y軸中心向兩端線性減小，當(dāng)給出一個等效折射率的變化規(guī)律，貼片的尺寸也隨之確定。根據(jù)前期仿真研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)折射率變化范圍更大時，頻帶范圍內(nèi)可實現(xiàn)增益更高，與此同時，工作帶寬會更窄?？紤]到可實現(xiàn)增益與帶寬間相互制約的限制關(guān)系，折中取等效折射率1.05～1.35線性變化，即每行6個貼片等效折射率為1.05，1.2，1.35，1.35，1.2，1.05，則對應(yīng)的超表面貼片尺寸為3.02，4.19，4.57，4.57，4.19，3.02 mm。值得注意的是，漸變折射率超表面的邊緣2行設(shè)計為折射率略大于1(自由空間的指標(biāo)值)的貼片，可以保證表面波向自由空間的自然輻射過渡。該漸變折射率超表面結(jié)構(gòu)，既可實現(xiàn)端射天線的阻抗帶寬拓展，同時又具備增益提升效果。天線具體參數(shù)如表1所示。

表1 天線模型具體尺寸

2 天線性能及原理分析

采用商業(yè)仿真軟件HFSS 2020進(jìn)行仿真。為了方便對比，仿真了未加載漸變折射率超表面的準(zhǔn)八木天線作為參考天線，參考天線尺寸與所提出天線完全一致。圖3為參考天線與所提出天線的反射系數(shù)曲線對比，參考天線可以實現(xiàn)3.6～7.71 GHz的阻抗匹配，相對阻抗帶寬為72.6%，而所提出天線在3.66～9.13 GHz，反射系數(shù)小于-10 dB，具有良好的阻抗匹配特性，百分比帶寬為85.5%。對比可知，由于加載漸變折射率超表面結(jié)構(gòu)，所提出天線可以在高頻范圍處產(chǎn)生一個額外的諧振頻點，實現(xiàn)約13%的帶寬拓展。

圖3 仿真反射系數(shù)曲線對比

參考天線與所提出天線端射方向可實現(xiàn)增益的仿真結(jié)果對比如圖4所示。

圖4 仿真可實現(xiàn)增益曲線對比

參考天線在頻帶范圍內(nèi)可實現(xiàn)增益為3.2～5 dBi，7.71 GHz處取得峰值增益為5 dBi；所提出天線在整個頻帶范圍內(nèi)，天線的可實現(xiàn)增益為4.7～8.81 dBi，8.7 GHz處取得峰值增益8.81 dBi，3 dB增益浮動帶寬為 48.8%。相比于參考天線，在整個頻帶范圍內(nèi)實現(xiàn)了1.5～3.8 dB的增益提升效果。同時，在整個頻帶范圍內(nèi)天線仿真得到的輻射效率均大于85%。值得注意的是，天線在 9.13～9.78 GHz 可實現(xiàn)增益從 7.68 dBi 下降到 5.32 dBi，增益依然較高，但此時天線的遠(yuǎn)場輻射方向圖產(chǎn)生畸變，旁瓣電平較高，不能滿足實際應(yīng)用的需求。

所提出天線不同頻點處的E面及H面歸一化輻射方向圖如圖5所示。

(a) 4 GHz輻射方向圖

需要說明的是，為了簡潔，僅給出了高頻、低頻及中心頻點處的輻射方向圖作為代表。其中，實線代表天線的主極化、虛線代表天線的交叉極化。不難看出，在整個頻帶范圍內(nèi)，天線具有良好的端射輻射效果和良好的前后比特性，表明所提出的天線具有寬頻帶的穩(wěn)定定向輻射特性。

所提出的緊湊、寬帶化、高定向性單端射天線的表面電場幅度分布仿真結(jié)果如圖6所示。圖6(a)為低頻處(4 GHz)電場幅度分布圖，圖6(b)為高頻處(8 GHz)電場幅度分布圖。對比可知，無論在低頻還是高頻處，階梯微帶線-槽線結(jié)構(gòu)及饋電偶極子上均存在較大電場分布，主要是因為在整個工作頻帶范圍內(nèi)，這兩部分均作為激勵源工作。而超表面上的電場分布在低頻處較小，高頻處相對較大，且電場主要集中在貼片邊緣處，因此，漸變折射率超表面在高頻處起到更加重要的作用。觀察高頻處(8 GHz)超表面上方電場幅度分布，沿著超表面調(diào)制方向(y軸)，電場幅度分布呈現(xiàn)兩邊電場分布較弱，中間電場分布強(qiáng)的特點，滿足半波諧振規(guī)律，這也進(jìn)一步驗證了所提出天線相比于未加載漸變折射率超表面的參考天線在高頻位置引入了一個新的諧振點，從而有效拓展帶寬。值得注意的是，所加載漸變折射率超表面類似于八木天線引向器結(jié)構(gòu)，可以有效實現(xiàn)天線增益提升，不同的是，所加載超表面不受間距的影響，因此，相比于八木天線可以實現(xiàn)緊湊化設(shè)計。

(a) 4 GHz (b) 8 GHz

3 結(jié)束語

本文提出了利用漸變折射率超表面實現(xiàn)緊湊、寬帶化高增益單端射天線的方法。該天線采用階梯阻抗微帶線-槽線結(jié)構(gòu)饋電準(zhǔn)八木天線結(jié)構(gòu)作為激勵源，結(jié)合所設(shè)計線性調(diào)制折射率超表面實現(xiàn)帶寬拓展和增益提升。仿真結(jié)果表明，該天線的帶寬為85.5%，3 dB增益浮動帶寬為48.8%。頻帶內(nèi)峰值增益提升為8.87 dBi，且在整個頻帶范圍內(nèi)具有良好的端射輻射效果。此外，所設(shè)計天線具有緊湊化的特點，尺寸僅為0.64λ0×0.73λ0×0.017λ0，因此特別適用于空間受限的走廊、隧道等平臺環(huán)境。