基于超表面的低剖面高增益圆极化天线

刘长青 张量， 万志伟 俞兴传 黄志祥 吴先良，

（1. 安徽大学 计算智能与信号处理教育部重点实验室，合肥 230601；2. 合肥师范学院安徽省电子信息系统仿真设计重点实验室，合肥 230601）

引 言

随着现代无线电技术的飞速发展，无线通信系统、雷达导航、载体隐身等领域取得了巨大的突破. 日渐复杂的系统和多任务工作模式对天线研究者提出了更加严格的要求. 满足多个天线指标集成在一个天线上，成为当前天线研究中一个非常重要的方向. 基于超表面多功能的天线，可以很好地满足复杂系统和多任务的工作需求，因此通过超材料实现圆极化高增益的低剖面天线引起了专家和学者的广泛关注[1-4].

超表面是一种二维超材料结构，具有低剖面、设计简单、低损耗等，在极化控制和提高增益方面有许多显著的优点. 超材料已被应用于天线领域，用以改善天线性能，如提高辐射增益、改善阻抗带宽，以及减小各种天线的尺寸等[5-7]. 文献[8]提出了一种基于棋盘式极化转换超表面的天线，将超表面放在距离馈源天线上方12 mm处，可以实现高增益和圆极化，但是天线的体积太大，不易加工和安装. 文献[9]将超表面放置在线极化天线上方，可以把线极化信号转化成圆极化信号，但是天线的轴比(axial ratio, AR)带宽比较窄. 文献[10]将4×4周期结构的超表面放置在相同边长尺寸的缝隙天线上，可以使线极化波转化成圆极化波，同时也使天线的阻抗带宽得到增加，但增益改善的并不是很多.

本文提出了一种基于缝隙耦合超材料表面的天线，其不仅可以在工作频带内实现高增益，还能在很宽的频带内产生圆极化波. 与基于超表面的F-P谐振腔天线相比，所提出的天线具有较高的增益和较低的轮廓等重要优点，这意味着它可以应用于许多领域. 最后，加工出天线样品并在微波暗室中测量. 仿真和测量结果显示出良好的一致性.

1 天线设计与分析

1.1 天线结构

图1显示了天线的结构图，该天线由微带缝隙天线和超材料表面组成. 超材料表面紧挨着覆盖在缝隙天线的上方，其由4×4个一边切角一边切锯齿形的正方形金属单元组成，如图1(a)所示. 缝隙天线是在基板的一侧全金属地面开一个矩形缝，基板的另一侧有一个50 Ω微带线，其长度和宽度都用来调节阻抗匹配. 本文所设计的天线介质板均采用介电常数 εr=3.55、损耗角正切δ=0.0027的Rogers4003. 经过优化最终得到：c1= 1.4 mm，c2= 2.4 mm，a= 4.8 mm，d= 0.3 mm，L= 30 mm，L1=4.9 mm，Ls= 14 mm，Ws=2 mm，Wf= 1.13 mm，h0=1.5 mm，h1= 0.508 mm.

图1 天线结构图Fig. 1 Geometry of the proposed antenna

1.2 超表面分析

与传统的微带线馈电阵列天线相比，采用缝隙耦合馈电的超表面天线结构更加紧凑. 为了进一步缩小天线尺寸，对三种不同的超表面天线进行对比，如图2(a)、(b)、(c)所示：天线A，超表面采用传统的正方形两边切等角结构；天线B，超表面采用正方形两边切不等角结构；天线C，超表面采用正方形一边切角一边切锯齿形结构. 在超表面单元周期结构相同的情况下，仿真结果如图3所示，可以看出，天线C的AR频率最低，说明要实现相同的工作频率，天线C的尺寸会更小. 通过超表面单元表面电流也能看出，如图4(a)、(b)所示，电流主要集中在切的长边处，通过切“锯齿形”来增加电流的流经长度，可以达到减小超表面大小的目的.

图2 三种天线的超表面Fig. 2 Metasurfacefor three antennas

图3 三种不同超表面天线的AR仿真结果Fig. 3 AR simulation results of three different metasurface antennas

图4 天线超表面单元的表面电流Fig. 4 Surface current of antenna metasurface unit

1.3 圆极化分析

我们采用一个等效电路来解释产生圆极化的原因，为此重新绘一个蓝色方型封闭模型，其可以被视为一个新的单元，如图1(a)所示. 当把超表面放置于缝隙天线上方时，可以把超表面产生的电场E分解为两个正交分量，即E1和E2，如图1(b)所示. 如果单元的对角没有被截断，如图1(c)，由于结构对称，正交分量E1和E2产生相同阻抗，且阻抗表示为[2,11]

式中：R和L分别表示每个单元的电阻和电感；C表示相邻的和相对的单元之间的间隙所产生的电容. 如果对角被截断，如图1(b)，E1和E2将分别产生不同的阻抗，表达式如下：

由于切角加宽了相邻对角之间的缝隙，使得Z1中 的 阻 抗 值增大，Z2中的阻抗值减小，因此可通过改变两边切角值的大小来改变Z1与Z2的相位差. 当超表面中|Z1|=|Z2|和∠Z2−∠Z1= 90°时，有|E1|=|E2|，∠E2−∠E1=90°.

图5给出了有无超表面的缝隙天线的反射系数、增益和AR对比结果. 可以看到，带有超表面的天线在9.6～10.7 GHz内出现了圆极化特性，同时阻抗带宽也拓宽了，说明此超表面天线具有产生圆极化波的能力. 此外，天线的增益和阻抗带宽也得到了改善.

图5 有无超表面缝隙天线的反射系数、增益和AR对比Fig. 5 Comparison of reflection coefficient, gain and AR withor without metasurface slot antenna

文献[12]中研究表明，同时激发两种谐振模式（TM10模式和反相位TM20模式）加载在槽形天线上的超材料表面，可以实现低剖面宽带高增益特性. 本文为了进一步研究超表面天线的工作机理，采用对角截断角的设计，使得阻抗匹配带宽得到改善，且对增益值的影响较小. 图6给出了两个阻抗谐振点（9 GHz和10.3 GHz)的电场分布图，验证了其两种谐振模式： TM10模式和反相TM20模式.

图6 不同频率下两种谐振模式Fig. 6 Two resonance modes at different frequencies

2 测量和仿真结果分析

为了验证仿真结果，本文加工了一个尺寸为30 mm×30 mm×2 mm的天线样本，天线采用50 Ω的SMA接头连接. 对超表面天线进行了测量，使用Agilent E5071A矢量网络分析仪测量天线的反射系数，在无反射波的微波暗室中测量天线的AR和增益，如图7(a)所示.

图7 天线测试场景及其结果对比Fig. 7 Antenna test environment and results comparison

图7(b)给出了超表面天线仿真和测量的反射系 数 的 结 果，S11＜−10dB的 仿 真 带 宽 为 8.46～11.1 GHz (27%)，实测带宽为 8.5～11.2 GHz (27.4%).虽然有所偏差，但整体显示出良好的一致性. 图7(c)是超表面天线的测量和仿真的AR曲线对比图，实测的圆极化带宽(A R＜3dB)为9.9～11.2 GHz(12.3%)，而仿真的带宽为9.6～10.7 GHz(10.3%)，由于加工误差和测量环境等原因使AR向高频偏移. 图7(d)为超表面天线仿真和测量的增益与频率的关系，可以看出在整个工作频带内实测和仿真的天线增益均大于7.5 dB，最大增益可以达到10.5 dB.

图8所示为天线在9 GHz和10.5 GHz频率处的测量和仿真远场辐射方向图，仿真和测量之间的差异主要是由于测试环境和制造以及装配误差造成的. 图7和图8中测试与仿真的结果整体上显示出了良好的一致性，验证了超表面天线可以产生圆极化波，同时可以提高天线增益和拓宽阻抗带宽.

图8 天线在不同频点的仿真和测试方向图Fig. 8 Antenna simulated and measured radiation patterns at different frequencies

3 结 论

本文设计了一种超材料表面，将其紧贴着加载到微带缝隙天线的正上方来实现低剖面. 通过理论分析和实验测试进行了验证，结果表明，加载超表面后的天线，实现圆极化的同时在整个工作带宽内也提高了天线的增益. 由于天线具有低剖面易于与载体共形等特点，使得天线可以广泛地应用于通信系统、雷达导航等领域. 希望本论文的研究内容能为低剖面高增益圆极化天线的发展做出微薄的贡献，也能为后续的研究者带来一定的借鉴和启发.