非谐振单元加载的宽带超表面透镜天线设计

翟昱涛，颜 坤，王 毅，夏 雨

（1.哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨 150001；2.中国航天科工信息技术研究院，北京 100070；3.南京航空航天大学，江苏南京 211106）

0 引言

超表面是一种准二维人工电磁材料[1]，它在保持了三维超材料的特异电磁特性的同时，解决了三维超材料加工困难、损耗较大和难以集成等困难，在电磁波调控领域发挥了巨大的作用。

当前的超表面研究大多是基于谐振型单元结构[2-4]，利用谐振区域的相位突变可以在谐振频点处实现较大范围的相位覆盖，进一步基于广义Snell折射/反射定律[5]，可以设计控制电磁波传播方向的超表面。2011年哈佛大学Yu等人采用8种不同形状的“V”型超表面单元实现了相位覆盖2π 范围的相位梯度超表面，并设计了超薄平面透镜和轴锥透镜，实现了良好的聚焦效果[1]。随后关于超表面透镜的设计成为了电磁超材料领域研究的热点和前沿，研究者们对此产生了浓厚的兴趣，利用相位的改变进行了多种设计，例如光学涡旋器、反射面天线[6]、RCS缩减[7]等。

本文设计了一款工作在X波段非谐振的相位补偿超表面，利用非谐振区域实现了超表面宽带的相位改变。将超表面补偿在标准增益的喇叭天线口面上，使其口面成为等相位面在近场区域产生平面波，消除一般测试系统中的绕射影响。

1 超表面单元设计

宽带透射型超表面的设计要兼顾相位和幅度2方面的设计。相位需要覆盖天线口面处的所有点的相位；幅度方面，透射系数要高于0.8使电磁波尽量全部透过，否则会影响天线的增益。图1给出了由一层介质构成的透射型单元示意图，该结构由上层金属和介质板组成。

图1 超表面基本单元

单元内小正方形金属片边长a=2 mm，金属环宽度g=0.5 mm，超表面周期L=12 mm，介质板高度h=2 mm。采用的介质基板是Roger5880，介电常数为2.2，损耗角正切是0.000 9。

图2 超表面单元仿真结果

对超表面基本单元的传输系数幅度和相位进行仿真，结果如图2所示。从图2（a）可以看出透射系数在23.5 GHz处有一个谐振点，对应图2（b）相位在23.5 GHz处有一个尖锐的变化。因此，在利用该单元进行宽带设计的时候，应远离谐振点并通过多层设计来实现覆盖更广相位变化的超表面。

基于前述分析，本文最终优化结构，设计了如图3所示的由10层介质基板、11层金属环和小正方型金属贴片构成的费血症相位单元。经过尺寸优化后，环内小正方形金属片设置为g=0.5 mm，超表面周期L=12 mm，介质板高度h=1 mm。对该多层超表面基本单元进行全波仿真，透射系数和透射相位仿真结果如图4所示。在10～12 GHz频带内保证了超表面的高透射性，在X波段内改变a1的长度基本保证可以覆盖的相位，透射系数在10～12 GHz频带内基本大于0.8。

图3 优化后超表面单元结构

图4 透射系数和透射相位仿真结果

2 宽带超表面透镜天线设计

针对常用的标准增益喇叭天线进行设计，口径大小选择119 mm×160 mm。由于矩形喇叭具有一定的张角，因此将从矩形波导辐射的电磁波近似看作是准球面波，通过超表面单元单元补偿各处相位，从而使透射出来的准球面波转化成平面波，原理图如图5所示。

图5 调控喇叭天线电场原理图

提取出喇叭口面处的相位分布，如图6所示，再将其填充相应的超表面单元进行相位补偿，进行全波仿真，观察天线近场区域的电场分布变化。

图6 喇叭天线10 GHz口径横截面的相位分布

对加载超表面的喇叭天线（透镜天线）进行全波仿真，用13×10个单元根据相位补偿的方式装配在喇叭天线横截面上，如图7所示。

图7 透镜天线

图8给出了透镜天线的近场仿真结果比较。可以看出在8.4 GHz、10 GHz和11.6 GHz处，不加载超表面时，天线口径外的辐射已呈现出球面波的传播方式。而加载相位补偿超表面后，天线口径处的辐射场呈现较好的平面波特性。

图8 透镜天线在不同频率的近场仿真结果

图9分别给出了8.4 GHz、10 GHz和11.6 GHz处空喇叭和透镜天线的远场辐射图对比。可以看出，透镜天线的材料虽然对电磁波有损耗效果，但由于对电磁波有一定的聚合效果，所以增益几乎没有损失。

图9 空喇叭和透镜天线的增益对比

3 结束语

本文在超表面相位设计的基础上根据相位补偿的方法，将一种非谐振超表面加载在标准增益的喇叭天线的口径上，形成了透镜天线。在X波段里将喇叭辐射处的准球面波转换为平面波，简化测试所需要的远场条件以及测试过程中产生的绕射现象。本文实现的透镜及设计方法为天线测试系统提供了更加简便准确的测试方式，对物体电磁性能的测量有较高的实用价值。