基于空间调制超材料的人工表面等离激元天线

徐声海，李祥祥，张志宏

(1.海装上海局驻扬州地区军事代表室，江苏 扬州 225001；2.中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225101)

0 引 言

表面等离激元因具有低色散、低损耗和超强场束缚能力的特性，在雷达、通信等领域成为近年来的研究热点。表面等离激元在光波段是存在于金属和介质交界面的一类本征表面波。但是在微波和太赫兹波段，由于金属可认为是理想的电导体，因而无法支持表面等离激元传播模式。为了在微波段实现等离子体模式的传播模式，利用亚波长周期结构构成的人工表面等离激元的概念被提出。这类的人工表面等离激元可由印制金属波纹组成，具有与自然存在的表面等离激元类似的特性[1-3]。

2013年，东南大学崔铁军教授团队首次在微波段提出采用带线金属波纹实现平面人工等离激元[4]。此后，提出了许多基于此种结构的器件，如天线、环形器、滤波器、功分器等[5-8]。对于表面等离激元天线而言，漏波天线和端射天线是目前2种主流研究形式。人工表面等离激元漏波天线是一类频扫天线，频带较窄，以东南大学崔铁军团队为主。此外，人工表面等离激元传输线可作为端射天线的馈电网络实现端射，如常用的Vivaldi天线[9-10]。2018年，南方科技大学通过对金属波纹人工表面等离激元传输线末端锥削实现近端射辐射天线，主波束存在略微倾斜，相对带宽12.5%[11-13]。

本文提出了一种差分馈电的对踵结构的人工表面等离激元端射天线，该天线可工作在8～11 GHz，相对带宽31.6%，全频带增益大于9.1 dB，并且能够实现完全端射。

1 天线分析与设计

1.1 端射人工表面等离激元天线

图1(a)为人工表面等离激元天线结构。天线印制于0.5 mm厚的罗杰斯 5880基板上，尺寸为 20 mm×110 mm。

人工表面等离激元天线包含三部分：共面波导馈线、人工表面等离激元传输线、末端锥削的人工表面等离激元辐射体。共面波导馈线阻抗68 Ω，直接与50 Ω同轴线连接。人工表面等离激元传输线的传输特性可通过调整金属波纹周期结构的周期、槽深等来调制。其传输特性可通过下式计算：

(1)

式中：gg为槽宽；gw为金属波纹宽；h为槽深；β为自由空间波数。

图1 3种人工表面等离激元天线模型

为了将束缚在人工表面等离激元TM模式转化为辐射模式，对人工表面等离激元传输线的末端进行了调制。如图1(a)所示，波纹高度从4 mm逐渐减至0.4 mm。利用全波仿真软件Ansoft HFSS对天线的电性能进行仿真优化，优化所得天线尺寸如表1所示。

表1 结构参数(单位：mm)

但是，由于金属地的存在，上述人工表面等离激元天线存在偏头现象，如图2(a)所示。为了解决这个问题，采用图1(b)所示的对踵结构，其电场传输模式如图2(b)所示。通过反相馈电，两辐射臂上的电场同相分布，因此能实现完全端射特性。

为了进一步提高天线的增益，将H型的超材料结构加载于对踵人工表面等离激元天线的前端和内部，如图1(c)所示。由于超材料具有高折射率，能有效聚集电磁能量。

图2 SSPPA和SSPPB辐射机理示意图

1.2 超材料结构

H型超材料单元的结构如图3(a)所示，该单元印制于与天线基板相同的罗杰斯5880介质板上。在HFSS中采用波导模拟器提取该超材料的传播系数。电磁波传播方向沿Z轴，平行于XZ面设置为理想电边界(PEC)，平行于YZ面设置为理想磁边界(PMC)。在Matlab中采用基于K-K关系的反演算法提取该超材料结构的等效本构参数，包括等效介电常数(图3(b))、等效磁导率(图3(b))和等效折射率(图3(c))。由图3(c)提取的等效折射率可以看出，在8～11 GHz的频率范围内该超材料结构折射率大于1.5。

图3 单元模型及等效电参数折射率

1.3 超材料加载端射人工表面等离激元天线

将上述超材料单元加载于图1(b)所示的差分馈电对踵人工表面等离激元天线前端。图4给出几种典型的超材料布局加载的端射人工表面等离激元天线及其对应的全频段增益。可看出，超材料单元的布局对能量的分布有明显的影响。Type-B具有最优的性能。可以从2个方面对其进行理解：第一，超材料单元本身具有损耗，过多的单元会增加损耗；第二，超材料单元具有移相功能，加载超材料单元后，天线口径相位发生变化，随机的单元排布会造成孔径相差变大，进而造成增益降低。此外，高频段10.5～11 GHz增益的下降还与超材料单元的谐振频率有关，由图3(a)可看出，超材料单元在11 GHz附近谐振。

图4 几种天线单元结构及增益

2 仿真结果

为了说明本文提出的天线结构的有效性，图5给出了图1中3种天线的10 GHz表面电场分布，图6给出了其10 GHz下响应的三维辐射方向图。

图5 SSPPA,SSPPB和SSPPC在10 GHz的表面电场分布

由图5对比可知，在所提出的超材料加载的端射人工表面等离激元天线口径处电场强度最强，能量更加集中。

图6 10 GHz时3种天线3D辐射方向图

由图6可知，所提出的超材料加载的端射人工表面等离激元天线(SSPPC)具有最大的增益，达到14.4 dB，且波束无偏头现象。相比于SSPPA和SSPPB，天线增益分别增加了6 dBi和3.1 dBi。

图7～图9分别给出了上述3种天线的电压驻波比、增益和不同频点下辐射方向图曲线。

图7 3种天线电压驻波比

图8 3种天线增益随频率变化曲线

图7为上述3种天线仿真驻波，可以看出，在8～11 GHz频带内，3种天线的VSWR均小于2。加载超材料单元并未破坏原始天线的带宽，带内的匹配状况甚至得到了改善。

图8为3种天线的端射增益值。SSPPC实现了全频带内的增益提升。在8～11 GHz频带内，增益为9.1～14.6 dBi。

图9和图10为在8 GHz、9 GHz、10 GHz和11 GHz时天线的YOZ面和XOZ面辐射方向图。由图中可以看出，SSPPC天线具有明显的端射特性。SSPPA天线的偏头现象得到明显改善。SSPPC天线具有较低的副瓣电平以及较窄的波束宽度。

3 结束语

本文提出一种新型的X波段端射高增益天线。利用人工表面等离激元天线对踵分布，采用差分馈电的形式，有效解决了单人工表面等离激元天线波束倾斜的问题。天线采用了超材料并对其进行空间优化排布，在8～11 GHz频带范围内，实现了9.1～14.6 dBi的增益。该天线形式具有低副瓣窄波束的优点，可用于雷达、通信等相关领域。