一种透射型线-圆极化转换超表面设计

刘 双 兵

（巢湖学院 机械与电子工程学院，安徽 合肥 238000）

研究与试制

一种透射型线-圆极化转换超表面设计

刘 双 兵

（巢湖学院 机械与电子工程学院，安徽 合肥 238000）

提出了一种单对角线开缝的方形单元构成的透射型极化旋转超表面，并将其应用于宽带圆极化微带缝隙天线的设计中。采用等效电路法分析了超表面实现线-圆极化转换的工作机制，并对天线圆极化带宽的影响因素进行了参数扫描。仿真结果表明：加载超表面使线极化微带缝隙天线产生了圆极化辐射，同时扩展了天线的阻抗带宽。天线相对阻抗带宽达到了33.2%，3 dB轴比带宽达到了19.5%，在阻抗带宽内天线增益均高于6.8 dBi，表明新型超表面结构具有良好的线-圆极化转换特性。

极化转换；超表面；宽带；圆极化；微带缝隙天线；轴比

超表面[1]（Metasurface）的概念自2011年被提出以来，因其具有异常反射和透射的新奇现象而备受关注。超表面是一种人工设计的亚波长厚度的金属结构阵列，可以灵活调控反射或透射电磁波的幅度、相位和极化特性，在微波器件[2]、天线雷达散射截面（Radar Cross Section, RCS）缩减[3]和圆极化天线设计[4-8]等方面具有十分广泛的应用前景。

实现天线由线极化向圆极化转换的超表面结构有反射和透射两种类型。文献[4]设计出一种金属斜线结构单元构成的反射型极化旋转超表面，在8～12 GHz频域内实现极化旋转，实现了线极化微带缝隙源天线的圆极化辐射。文献[5]利用双箭头结构单元构成的反射型极化旋转超表面作为反射板，设计了圆极化带宽为2.4%的印刷偶极子天线。显然，基于反射型超表面的圆极化天线的3 dB轴比带宽通常较窄。文献[6]设计了带有单对角微带线的矩形环结构单元构成的透射型超表面，实现了微带贴片天线和微带缝隙天线的线-圆极化转换，天线圆极化带宽为7.7%。文献[7]和[8]均采用方形切角金属单元构成的透射型超表面实现了微带缝隙天线圆极化设计，圆极化带宽分别达到了 20%和 7.2%。但文献[6]和[7]中所设计圆极化天线的增益在轴比频带内的高频端有所恶化，天线增益特性不够稳定。文献[9]和[10]分别提出一种方形和矩形金属结构超表面，用于扩展天线的阻抗带宽和圆极化带宽，获得了3 dB轴比带宽分别为23.4%和16.5%的圆极化天线，但该类型超表面结构并不具备线-圆极化转换特性。

基于以上研究，本文首次提出了一种由单对角线开缝的方形贴片单元构成的透射型极化转换超表面，并将其加载于微带缝隙天线的上方，实现了宽带圆极化天线设计。采用等效电路法分析了超表面实现线-圆极化转换的工作机制，并使用基于有限元方法的ANSYS HFSS 15.0高频电磁仿真软件对影响天线圆极化性能的超表面结构参数进行优化。通过对比加载超表面前后微带缝隙天线的性能，结果表明：加载超表面使线极化微带缝隙天线产生了圆极化辐射，扩展了天线的阻抗带宽，使天线相对阻抗带宽达到了33.2%（4.26～5.96 GHz），3dB轴比带宽达到了19.5%（4.9～5.96 GHz），在阻抗带宽内天线增益均高于6.8 dBi，证明了新型超表面结构具有良好的极化旋转特性。

1 超表面设计

1.1 超表面结构

超表面结构如图1所示，每个单元是一种单对角线开缝隙的方形金属贴片。为了使线极化微带缝隙源天线辐射出圆极化电磁波，构建了由16个单元按4×4阵列组合而成的超表面。所采用的介质板厚度 h=4 mm，相对介电常数 εr=4.1，损耗角正切tanδ=0.003。超表面方形单元边长a=9 mm，对角线缝隙宽度g=1.2 mm，单元之间的间距d=1.2 mm。超表面尺寸为L×L=40 mm×40 mm。

图1 超表面结构及工作机制示意图Fig.1 Schematic diagram of metasurface

1.2 超表面的等效电路

采用等效电路法来阐释所设计超表面将线极化转换为圆极化的工作机制。当在超表面的下方放置线极化微带缝隙天线时，超表面上产生如图1所示的电场E，将其分解成两个相互正交的分量E1和E2。当方形单元的对角没有开缝隙时，E1分量的等效电路可看作是RLC串联电路，其阻抗可表示为

式中：R和L分别是方形金属单元的电阻和电感值；C是相邻单元之间缝隙产生的电容值。由于结构的对称性，E2分量具有相同的等效电路，其阻抗同样满足（1）式。在方形贴片单元右对角线开缝隙前后，可近似认为 E1等效电路的阻抗值没有变化，但 E2等效电路的变化较大，开缝后两者不再等效为相同的RLC电路。对角线开缝后，E2等效电路将增加对角线缝隙之间的并联电容，其阻抗值为

通过调节对角线缝隙的宽度，使得超表面满足|Z1|=|Z2|且Z1与Z2之间的相位相差90°，即可实现源天线的线-圆极化转变。

2 极化旋转特性验证

2.1 加载超表面结构的缝隙天线

图2 加载超表面的微带缝隙天线结构图Fig.2 Structure of microstrip slot antenna with metasurface

为了验证新型超表面的线-圆极化转换特性，将其放置在线极化微带缝隙天线的上方，组合而成的圆极化天线结构如图2所示。超表面的介质板与缝隙天线直接接触，有效降低了天线的剖面高度。天线的下层是线极化微带缝隙天线的介质板，厚度为h1=0.8 mm，相对介电常数为εr=3.5，损耗角正切为tanδ=0.003。其上表面是开有矩形耦合缝隙的导体接地板，缝隙长度ls=26 mm，宽度ws=3.2 mm。其下表面是馈电微带线，馈线长度lc=28 mm，宽度wc=1.8 mm。天线整体尺寸为0.72 λ×0.72 λ×0.09 λ（λ为圆极化带宽的中心频率5.43 GHz对应的自由空间波长）。

2.2 超表面结构参数的优化

为实现基于单对角线开缝超表面结构天线的宽带圆极化特性，需要对超表面的结构参数进行优化。通过调节超表面的介质基板的厚度h、方形贴片单元的边长a、对角线缝隙宽度g、阵列间距d，有效扩展天线的阻抗带宽和圆极化带宽。超表面不同参数对天线轴比特性的影响规律如图3所示。

图3 超表面参数h、a、g、d对轴比特性的影响Fig.3 Axial ratios with different h, a, g, d parameters of metasurface

从图3可以看出，加载超表面的微带缝隙天线的轴比出现两个极小值，分别在5.3 GHz和5.8 GHz附近。图 3（a）表明：当超表面的介质基板厚度 h较小（h=3.5 mm）时，天线在高频端的轴比性能非常好，轴比接近0.2 dB，但低频端的轴比性能很差，天线轴比超过了3 dB；反之，当h较大（h=4.5 mm）时，低频端的轴比性能较好，高频端的轴比有所偏高；h取中间值时，天线将获得最优化的轴比性能和轴比带宽。图3（b）显示出超表面的方形金属单元的边长a改变时，主要影响天线在高频端的轴比性能，低频端的轴比基本保持不变，且随着a的增大，轴比性能越来越好，但轴比带宽略有减小。

图3（c）说明：当超表面单元的对角线缝隙宽度g的取值较小（g=0.8 mm）时，天线的轴比出现了三个极小值，但在高频端的轴比偏高；随着g的增大，高频端的轴比逐渐降低，而低频端的轴比出现先下降后上升的趋势。图3（d）表明：随着超表面的单元间距d的逐渐增大，天线的3 dB轴比带宽基本保持不变，但频率向高频偏移，而高频端的轴比性能逐步变差。

对以上参数的优化分析可知，改变超表面的几何参数，超表面等效电路的等效阻抗相应发生变化，进而影响加载超表面的微带缝隙天线的轴比特性。也就是说，通过调节超表面的结构参数可以获得最优的天线轴比性能和轴比带宽。

3 加载超表面前后天线性能对比

为了进一步了解超表面结构对天线性能的改善，将加载超表面前后微带缝隙天线的性能进行对比，天线的回波损耗、轴比带宽和增益性能的仿真结果分别如图4、图5和图6所示。

从图4可以看出，未加载超表面的微带缝隙天线的谐振频率为7.63 GHz，相对阻抗带宽为10.7%；加载超表面后，天线的谐振频率偏移至5.62 GHz，同时产生了新的谐振频点4.5 GHz，且两个谐振模式的频率比较接近，使得天线的阻抗带宽很宽，工作频率范围为 4.26～5.96 GHz，相对阻抗带宽达到了33.2%，实现了天线的宽频带特性，超表面可以有效扩展天线的阻抗带宽。

图4 天线的回波损耗Fig.4 Return loss of the antenna

从图5可以看出，加载超表面使线极化微带缝隙天线辐射出圆极化波，3 dB轴比频率范围为4.9～5.96 GHz，相对轴比带宽达到了19.5%，天线圆极化带宽很宽，轴比性能良好，最小值达到了 0.2 dB。也就是说，所设计超表面具有线-圆极化转换特性，可应用于宽带圆极化天线设计。

图5 天线的轴比带宽Fig.5 Axial ratio bandwidth of the antenna

从图6可以看出，加载超表面后微带缝隙天线的增益略有增加，且在阻抗带宽内天线增益均高于6.8 dBi，最大增益为7.8 dBi。也就是说，阻抗带宽内天线增益波动范围不超过1 dBi，具有良好的带内增益稳定性，相比于文献[7]中方形切角超表面在高频端严重的增益恶化现象，本文所设计超表面具有更好的应用性。

4 结论

本文设计了一种新型超表面，其单元由单对角线开缝的方形金属贴片构成。通过等效电路法的理论分析和软件仿真分析，表明该超表面具有线-圆极化转换特性。将其加载于线极化微带缝隙天线的上方，实现了宽带圆极化辐射特性，扩展了天线的阻抗带宽。通过参数优化，使得天线相对阻抗带宽达到了33.2%，3 dB轴比带宽达到了19.5%，在阻抗带宽内天线增益均高于6.8 dBi。覆盖超表面的缝隙天线具有很宽的阻抗带宽和轴比带宽，且增益稳定性良好，所设计超表面可应用于宽频圆极化天线设计。

图6 天线增益Fig.6 Antenna gain

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（编辑：陈渝生）

Design of a transparent linear-to-circular polarization conversion metasurface

LIU Shuangbing
(School of Mechanical and Electric Engineering, Chaohu College, Hefei 238000, China)

A transparent polarization conversion metasurface was presented for designing of wide band circular polarized microstrip slot antenna. It was composed of square units with a single diagonal slot. The metasurface’s working mechanism of converting linear to circular polarization was analyzed by equivalent circuits, and the parameters of the metasurface were swept according to their influence on the 3 dB axial ratio bandwidth. Simulated results show that the linearly polarized microstrip slot antenna can radiate circularly polarized wave and its impedance bandwidth is broaden by loading the metasurface. The relative impedance bandwidth and 3 dB axial ratio bandwidth can reach 33.2% and 19.5%, respectively. The antenna gains are higher than 6.8 dBi within the impedance bandwidth. It is indicated that the new metasurface has good linear-to-circular polarization conversion characteristics.

polarization conversion; metasurface; wide band; circularly polarized; microstrip slot antenna; axial ratio

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.09.004

TB34；TN821+.1

A

1001-2028（2017）09-0018-04

2017-08-01

安徽省高校优秀青年人才支持计划重点项目（No. gxyqZD2016291）

刘双兵（1982－），男，安徽宿松人，讲师，硕士，主要从事天线研究工作，E-mail: liushb@shu.edu.cn 。

时间：2017-08-28 11:08

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170828.1108.004.html