基于特征模式分析的寬帶圓極化超表面天線

譚祥俊,盧忠亮,宋 謙,彭 強

(江西理工大學(xué) 信息工程學(xué)院,江西 贛州 341000)

圓極化天線能抑制極化失配和減小多徑干擾,因而被廣泛應(yīng)用于無線局域網(wǎng)、射頻識別技術(shù)以及衛(wèi)星通信等領(lǐng)域[1-2]。由于現(xiàn)代各種無線通信系統(tǒng)都要求具有寬帶高速的信息處理能力,因此,對寬帶圓極化天線的研究有重要價值。

提高圓極化天線的軸比帶寬的主要方法包括采用雙饋或多饋網(wǎng)絡(luò)[3]、選用厚介質(zhì)板[4]、加入寄生貼片[5],然而這些方法增加了天線的幾何尺寸和分析設(shè)計難度。超表面是一種二維超材料,具有易于制造、低剖面、可以拓展天線帶寬等優(yōu)點,它常被用于將線極化波轉(zhuǎn)換成圓極化波[6],隨之各種寬帶圓極化超表面天線被提出[7-10]。Zheng 等[11]提出了一種單饋圓極化超表面天線,截角方形驅(qū)動貼片產(chǎn)生一個諧振模式,帶有寄生元件的超表面激發(fā)兩個額外的諧振模式,聯(lián)合諧振使天線具有11.9%的軸比帶寬。Zhao 等[12]設(shè)計了一種由4×4 的H 型超表面和正十字縫隙耦合饋電結(jié)構(gòu)組成的超表面天線,微帶線斜45°饋入十字縫隙將三個特征模式兩兩激勵實現(xiàn)寬帶圓極化,獲得了14.3%的3 dB 軸比帶寬,但是饋電結(jié)構(gòu)設(shè)計過程復(fù)雜。此外,超表面還被用作反射器,Chen 等[13]設(shè)計了一種基于極化旋轉(zhuǎn)反射表面(PRRS)的寬帶圓極化天線。PRRS 有兩個極化旋轉(zhuǎn)頻點,通過調(diào)整超表面單元截斷角的尺寸,拉近兩相鄰頻點實現(xiàn)了寬帶效果,但該天線存在空氣層,剖面較高。在超表面的分析方法方面,對于理想的無限延伸的周期結(jié)構(gòu)超表面,可用等效電路[14]和色散曲線[15]兩種方法來分析,但對于超表面天線,由于單元數(shù)量有限,且與饋電縫隙存在耦合,這兩種方法并不適合。特征模式理論[16-17]則能分析出超表面天線結(jié)構(gòu)中的各種諧振模式,包括場分布和諧振頻率,在此基礎(chǔ)上設(shè)計天線可以減少盲目性。

本文提出了一種低剖面的寬帶圓極化超表面天線。首先利用特征模理論對超表面進行了分析,然后采用縫隙耦合饋電激勵兩個可用于實現(xiàn)圓極化輻射的正交模式。研究發(fā)現(xiàn),兩正交模式中間頻段的模式顯著性(Modal Significance,MS) 小 于0.707,MS 值 大 于0.707 時模式被認為是顯著的[18]。通過將地板上的耦合縫隙旋轉(zhuǎn),可以有效提升兩個模式中間頻段的MS值,拓展軸比帶寬,從而實現(xiàn)寬帶圓極化。仿真和實測結(jié)果表明天線有較寬的阻抗帶寬和軸比帶寬,圓極化輻射性能良好,可應(yīng)用在C 波段的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中。

1 天線結(jié)構(gòu)

圖1 給出了天線的結(jié)構(gòu),天線的整體尺寸為40 mm×40 mm×2.6 mm,兩層介質(zhì)基板采用的是相對介電常數(shù)為4.4 的FR4 材料,厚度分別為h1=0.6 mm 和h2=2 mm。天線的超表面如圖1(a)所示,超表面印制在最上層,由邊長為w=9.5 mm 的4×4 方形貼片單元構(gòu)成,每個單元對角切去了邊長為s=2.8 mm 的小正方形,單元間距g=0.2 mm。圖1(b)顯示的是位于兩層介質(zhì)基板之間的金屬地板,其中心位置是旋轉(zhuǎn)α=15°的蝴蝶結(jié)狀縫隙,縫隙的長Sl=25 mm,寬Sw=10 mm。圖1(c)顯示的是在底層表面的微帶饋線,它的頂端是弧度為20°,半徑r=10 mm 的扇形,在其兩側(cè)是兩個通過金屬接地柱與地板相連的矩形金屬貼片,Fl=15.5 mm,Fw=1.1 mm,fl=3 mm,fw=0.5 mm。天線其他尺寸為l=3 mm,l1=3 mm,w1=1.3 mm,g1=1 mm,Tl=5 mm,Tw=15 mm。

圖1 天線的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the antenna structure

2 圓極化產(chǎn)生的機理

2.1 特征模理論

特征模分析方法是將金屬體表面感應(yīng)電流展開為一系列相互正交的特征電流,可以將表面感應(yīng)電流表示為:

式中:αn是展開系數(shù);Jn表示特征電流。利用電場積分方程,并引入阻抗算子,可得到:

式中:Vn為模式激勵系數(shù),當外加激勵信號時,確定哪種模式容易被激發(fā);λn是特征值。式(2)除去Vn剩下的部分被定義為模式顯著性,它是特征電流的歸一化幅度,即:

MS 是圓極化天線設(shè)計的一個重要參數(shù),MS 隨頻率變化曲線表明某個模式在某些頻段發(fā)揮作用的潛在能力。當某個模式的MS 值大于0.707 時,此時該模式可被認為是顯著模式,在合適的位置施加激勵就可產(chǎn)生良好的輻射;當模式的MS 值小于0.707 時,此時該模式被認為是非顯著模式,說明該模式處于非諧振狀態(tài)。

另一個關(guān)鍵參數(shù)是特征角(CA),它表示特征電流與其對應(yīng)的特征電場切向分量之間的相位差,特征角的定義為:

為了產(chǎn)生圓極化輻射,需要同時激勵兩個正交的特征模式并滿足如下要求:

(1)兩種模式的MS 值應(yīng)較大且接近,MS1≈MS2。

(2)兩種模式的CA 應(yīng)該有約90°的相位差。

(3)兩種模式的電流方向相互正交。

(4)兩種模式的最大輻射方向一致。

2.2 超表面的特征模式分析

基于上述理論,首先利用集成在CST MWS 中的特征模式分析(CMA)工具對超表面結(jié)構(gòu)進行分析。圖2 顯示了超表面前六種特征模式的MS 曲線,可以看出這六種模式諧振在不同的頻段,在4.7 GHz 時,模式1 的MS 值等于1 且MS 值在4.55～5.2 GHz 的寬頻帶范圍內(nèi)均大于0.707,而模式4 在5.7 GHz 處MS 值等于1。超表面前六種模式的特征角如圖3 所示,模式1 和模式4 在4.7～5.7 GHz 頻段內(nèi)特征角都有約90°的相位差。

圖2 前六種模式的MSFig.2 MS of the first six modes

圖3 前六種模式的特征角Fig.3 Characteristic angles of the first six modes

圖4 和圖5 分別給出了模式1～模式4 在各自諧振頻點上的模式電流分布和輻射方向圖。在這些模式中,只有模式1 和模式4 沿+z方向輻射,兩模式的電流方向相對于yoz平面對稱并相互正交。模式2 與模式3在+z方向上的遠場輻射很弱,電流方向不正交,模式意義較低。結(jié)合前文分析,只要同時激發(fā)模式1 和模式4 就能實現(xiàn)圓極化輻射。值得注意的是,從圖2 可以看出,模式1 和模式4 的MS 值在兩模式中間頻段內(nèi)小于0.707,兩模式難以同時被激發(fā)實現(xiàn)圓極化,需要通過饋電結(jié)構(gòu)對模式進行補償。

圖4 模式1～模式4 的電流分布Fig.4 Current distribution of mode 1-mode 4

圖5 模式1～模式4 的輻射方向圖Fig.5 Radiation patterns of mode 1-mode 4

3 天線的饋電

天線采用的是縫隙耦合饋電。之前的特征模式分析模型中采用無限大地板且沒有縫隙,用于分析超表面的特征模式(結(jié)果見圖2)。現(xiàn)考慮地板縫隙對模式的影響,分析時地板設(shè)為實際大小并刻蝕縫隙,取兩個邊射的模式,結(jié)果如圖6 所示。當縫隙處于水平狀態(tài)時,需要激發(fā)的兩模式中間頻段的MS 值小于0.707,模式在當前狀態(tài)下激發(fā)不能很好地輻射,3 dB軸比帶寬會因此受到影響。軸比的情況可從圖7 得知,4.8～5.5 GHz 的軸比曲線向上凸起并沒有在3 dB 以下,只在兩個很窄的頻段內(nèi)有3 dB 軸比帶寬。當把水平縫隙旋轉(zhuǎn)α=15°后,兩模式交點附近頻段的MS 值也變得大于0.707。對應(yīng)地在圖7 中可以看到,原來凸起的一段軸比曲線都下陷到3 dB 以下,形成了4.68～5.55 GHz 的3 dB 軸比寬帶。結(jié)果與對超表面進行特征模式分析得到的預(yù)估帶寬(4.7～5.7 GHz)基本吻合。

圖6 縫隙旋轉(zhuǎn)角度對MS 的影響Fig.6 The effect of slit rotation angle on MS

圖7 縫隙旋轉(zhuǎn)角度對軸比的影響Fig.7 The effect of the rotation angle of the slot on the axial ratio

4 仿真與實測結(jié)果

為了驗證該天線的性能,采用多層PCB 工藝將兩層介質(zhì)和三層金屬壓合在一起,加工了一個尺寸為40 mm×40 mm×2.6 mm 的天線樣品。圖8 給出了加工的樣品原型以及實測場景,天線的阻抗帶寬、軸比、增益和輻射方向圖均在微波暗室中測得。

圖8 天線實物及測試場景Fig.8 Antenna object and test scene

仿真與實測所得的反射系數(shù)、軸比和增益結(jié)果對比如圖9 所示。圖9(a)給出了仿真與實測的阻抗帶寬,仿真的-10 dB 阻抗帶寬為31.4%(4.11～5.64 GHz),實測的阻抗帶寬結(jié)果為27.4%(4.41～5.81 GHz)。圖9(b)給出了仿真與實測的軸比帶寬,可以看到仿真的3 dB 軸比帶寬為4.68～5.55 GHz(17.1%),而實測的軸比帶寬為4.95～5.7 GHz(14.2%)。天線的主極化是右旋圓極化,增益隨頻率變化平穩(wěn),如圖9(c)所示,在3 dB 軸比頻率范圍內(nèi)實測增益大于5.8 dBi。天線測試結(jié)果與仿真結(jié)果呈現(xiàn)較好的一致性,阻抗帶寬和軸比帶寬的實測結(jié)果相比仿真結(jié)果整體頻率都向高頻有一定的偏移,這種差異可能是由加工和測量誤差導(dǎo)致的。

圖9 天線仿真與實測結(jié)果對比Fig.9 Comparison of simulation and actual measurement results of antenna

在4.9 GHz 時模擬與測量的xoz平面和yoz平面的輻射方向圖如圖10 所示。需要說明的是,由于測量條件的限制,測得的后瓣輻射接近于0,實測結(jié)果與模擬結(jié)果基本吻合。天線的主極化為右旋圓極化,左旋圓極化為交叉極化,方向圖主瓣上的最大增益為7 dBi,交叉極化水平低于-25 dB。輻射方向圖具有良好的對稱性,說明特征模式分析中的兩模式被很好地激發(fā)。表1 總結(jié)了該天線與其他文獻中天線的性能,可以看出,該天線不僅尺寸小剖面低,也有較寬的阻抗帶寬和軸比帶寬。

表1 天線性能與文獻對比Tab.1 Comparison of antenna performance with other literatures

圖10 仿真與實測的輻射方向圖Fig.10 Radiation pattern of simulation and measurement

5 結(jié)論

本文利用特征模式分析方法對寬帶圓極化天線進行優(yōu)化設(shè)計。首先對超表面本身進行特征模式分析,通過調(diào)整切角的大小使得兩個正交的邊射模式諧振頻率分離,從而使得天線具備寬軸比帶寬的潛力。為解決中心頻率處MS 太低的問題,又對帶有縫隙的地板和超表面一并進行特征模式分析,發(fā)現(xiàn)通過調(diào)整地板上縫隙的旋轉(zhuǎn)角度可以提升兩正交模式在中心頻率處的MS 值,從而有效地提升3 dB 軸比帶寬。仿真結(jié)果與實測結(jié)果表明,所設(shè)計的天線具有31.4%的-10 dB阻抗帶寬和17.1%的3 dB 軸比帶寬,在阻抗帶寬范圍內(nèi)增益變化平穩(wěn),圓極化性能良好。此外,該天線尺寸小,剖面低,有利于與載體共形,在無線局域網(wǎng)、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域有著較好的應(yīng)用前景。