小型超表面圆极化天线设计

马学礼，冯全源

(西南交通大学 信息科学与技术学院，四川 成都 610031)

小型超表面圆极化天线设计

马学礼，冯全源

(西南交通大学 信息科学与技术学院，四川 成都 610031)

针对普通圆极化天线设计过程复杂和面积过大的缺点，设计了一款小型化的圆极化缝隙天线，通过加载超表面来实现小型化和圆极化。该超表面天线可以把2个垂直线极化波合成为1个圆极化波，采用不规则的斜十字结构，尺寸仅为25 mm×25 mm×4 mm，就可以在5.74～5.87 GHz范围内实现轴比小于3 dB。该天线结构简单、抗干扰能力强、辐射特性优异，适用于5.8 GHz的阅读器天线和ETC电子不停车收费。

圆极化；超表面；小型化；可加载

Abstract To address the complexity issue of circularly polarized antenna,a compact circularly polarized slot antenna is designed with a loadable meta-surface used to realize compactness and circular polarization.The antenna can transform two linearly polarized waves into a circularly polarized wave.The design uses an irregular cross structure,and the size of antenna is only 25 mm*25 mm*4 mm.The axial ratio can be less than 3 dB within 5.74～5.87 GHz.The antenna features simple structure,strong anti-interference capability and good radiation pattern,and it can be used for ETC electronic toll collection and 5.8 GHz reader antenna.

Key words circular polarization;meta-surface;compact;loadable

0 引言

随着天线和射频通信系统的发展，普通的线极化天线[1]已经不能满足复杂的通信要求。在远距离传输和抗干扰方面，圆极化天线[2]有显著的优势。圆极化天线可以接收所有线极化波，圆极化波也可以被所有线极化天线接收。很多特定要求的通讯系统中要用到圆极化天线[3]。

圆极化微带天线的种类有单点馈电圆极化天线[4]、多点馈电圆极化天线[5]和阿基米德螺旋圆极化天线[6]。单点馈电圆极化天线[7]馈电结构简单，但圆极化实现的结构和设计复杂，多点馈电圆极化天线[8]馈电网络比较复杂，面积大，但较容易实现圆极化，轴比带宽较宽。阿基米德螺旋圆极化天线[9]性能优异，交叉极化低，轴比带宽也非常宽。超表面结构圆极化天线[10]是一种二维金属表面加载在普通线极化天线上，可以控制电磁波的相位特性和极化特性[11]，可用于隐身飞机的表面蒙皮和雷达的表面罩，可以提高天线的方向性和抗干扰能力。文献[12]提出了利用超表面合成圆极化波，本文重新设计了圆极化超表面，对超表面小型化设计，成功地利用超表面降低天线的轴比，实现了圆极化。

1 圆极化超表面基本理论

圆极化超表面属于周期性结构[13]的一种，周期性结构分为贴片型和孔径型2种结构，贴片型[14]在谐振频率附近呈现全反射特性，孔径型[15]在谐振频率附近呈现全透射特性。周期性结构可以降低天线表面波，提高天线的增益和效率，减少方向图上的波纹扰动。

圆极化波可表示为2个空间相互垂直，时间相位差90°，且振幅相等的线极化波之和，而圆极化超表面可以把椭圆极化波中分离出2个振幅相等，相位差90°的线极化波，然后在通过超表面后合成为圆极化波。圆极化超表面属于孔径型周期性结构，当电磁波通过超表面时，电磁波的相位会发生变化，金属表面的缝隙等效于一个电容，短的金属连接线等效于电阻，有一部分金属等效于电感，这就是超表面的电路等效模型。它会阻挡一部分电磁波通过，改变一部分电磁波的相位，并最终在电磁波通过超表面后形成圆极化波。超表面还有亚波长和相位调制[16]的特性，能够在很小的尺度范围内实现电磁波极化状态的调制。

2 圆极化天线结构

本文用到的缝隙天线如图1所示，尺寸参数：a=25 mm,b=11.6 mm，c=13 mm,e=3 mm，设计在相对介电常数为4.4、损耗正切值为0.02、厚度为1 mm的FR4基板上。缝隙的宽为1 mm,缝隙的长度可以调节中心频率，长度越长，中心频率越低，长度变小，中心频率变高。

图1 5.8 GHz缝隙天线结构

(1)

Z1=R1+jX1，

(2)

Z2=R2+jX2。

(3)

图2 圆极化超表面结构

图3 圆极化超表面结构实物

图4 5.8 GHz缝隙天线实物

3 仿真结果和分析

本文超表面和缝隙天线的仿真是在HFSS软件下进行的。缝隙天线反射特性曲线如图5所示，缝隙天线的工作频率为5.68～6 GHz，中心频率为5.8 GHz。参数b对缝隙天线S11的影响如图6所示，缝隙的长度b的值改变，天线的频率也会发生改变，缝隙长度变长，工作频率变低。天线的工作频率是缝隙的宽度和长度共同决定的。没有加载超表面情况下的缝隙天线原始轴比如图7所示，在5.8 GHz时的轴比为40 dB,远大于3 dB，可认为线极化。

加载超表面后缝隙天线的轴比如图8所示，在天线的背部加载圆极化超表面后，可以明显的看出5.8 GHz时的轴比从原来的40 dB变为小于3 dB，其在5.74～5.87 GHz频率范围内都小于3 dB，最低达到0.6 dB。证实了本文超表面能减小轴比，实现圆极化的功能。超表面参数g对轴比的影响如图9所示，圆极化超表面切角边的长度g会影响到轴比的中心频率，g的值变大，中心频率也会变大，所以选择g的值为5 mm,其中心频率刚好为5.8 GHz处。圆极化天线的增益图如图10所示，5.8 GHz处XOZ面和XOY面方向图如图11所示，该天线的辐射方向垂直于天线表面，沿表面法线方向传播。

图5 缝隙天线反射特性曲线

图6 参数b对反射系数的影响

图7 缝隙天线的原始轴比

图8 加载超表面后的轴比

图9 参数g对轴比的影响

图10 圆极化天线的增益

图11 5.8 GHz处XOZ面和XOY面方向图

5.8 GHz处XOZ面的轴比分布如图12所示，通过该图可以看出超表面对天线轴比的影响，θ角在170°～212°范围内小于3 dB，在θ=194°时，轴比最低0.44 dB，也就是-z方向的42°角内满足圆极化。

图12 5.8 GHz处XOZ面的轴比

左旋和右旋圆极化的电场强度比较图如图13所示，可以一眼看出右旋圆极化的电场强度远大于左旋圆极化，所以该天线为右旋圆极化天线。

图13 左旋和右旋圆极化的电场强度

通过仿真和分析，缝隙天线的耦合缝隙长度b的值对天线反射系数S11有明显影响。随着b值的减小，中心频率会向高频移动，因此可以通过缝隙长度b的值来调节需要的中心频率。超表面的切角边长g的值会影响轴比的中心频点，g的值增大，中心频点向高频移动，这是通过超表面的等效阻抗改变来实现的，因此可以调节g的值来获得需要的轴比。

4 结束语

不同于普通圆极化天线的实现原理，本文在普通线极化天线的基础上，通过加载超表面能改变天线极化状态的原理，设计了一个圆极化超表面来降低天线的轴比，实现圆极化。一般的超表面都是由很多个单元周期性排列组成才能实现其性能，其面积很大，不适用于小型化的天线要求，本文的圆极化超表面面积很小，仅一个单元就实现了圆极化，适用于要求小型化的天线系统。本文天线结构简单，抗干扰能力强，辐射特性优异，还可以在一定程度上屏蔽工作频带外的电磁干扰，可用于ETC电子不停车收费和5.8 GHz阅读器天线。

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Compact Circularly Polarized Antenna with Meta-surface

MA Xue-li,FENG Quan-yuan

(CollegeofInformationScienceandTechnology,SouthwestJiaotongUniversity,ChengduSichuan610031,China)

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.08.11

马学礼，冯全源.小型超表面圆极化天线设计[J].无线电工程,2017,47(8):44-47.[MA Xueli,FENG Quanyuan.Compact Circularly Polarized Antenna with Meta-surface[J].Radio Engineering,2017,47(8):44-47.]

2016-12-02

国家自然科学基金重点项目(61531016)；国家自然科学基金资助项目(61271090)；四川省科技支撑计划基金资助项目(2015GZ0103)。

TN82

A

1003-3106(2017)08-0044-04

马学礼 男，(1992—)，硕士研究生。主要研究方向：天线理论与设计。

冯全源 男，(1963—)，教授，博士生导师。主要研究方向：天线理论与设计、数字、模拟、射频与混合信号集成电路设计等。