容性加载的宽带紧凑型圆极化超表面天线

陈东旭，车文荃，杨琬琛，薛 泉*

(1.河海大学 计算机与信息学院，江苏 南京 210098；2.华南理工大学 电子信息学院，广东 广州 510641)

0 引言

圆极化天线[1-3]因具有减少极化失配等优点，常被用于全球定位、移动卫星等通信系统中。过去，最常见的圆极化天线形式是贴片天线，这类天线具有结构简单、体积小、成本低和易集成等优点，但也存在带宽窄、增益低等缺点，无法满足现代无线通信系统对大信道容量的需求。

近年来，超表面结构因具有独特的电磁特性[4-6]而被用作直接辐射体来实现高性能天线[7-18]，具有高增益、宽带和低剖面等优点，但其整体尺寸远大于传统贴片天线，不利于阵列设计和集成。目前超表面天线的小型化方法主要包括：减小相邻超表面单元间的间隙[11]、加载谐振结构以增加电流路径[12-14]和使用高介电常数的介质板材[11]等，但受加工限制，通常存在减小尺寸有限、带宽窄等问题。因此，在保持高增益和宽带特性的同时，设计出结构紧凑的超表面圆极化天线是一个很大的挑战。为此，提出了一种紧凑的跨层容性加载超表面结构，结合45°斜缝隙耦合的馈电方式，在小尺寸情况下，实现了具有宽带特性的圆极化超表面天线。

1 小型化的跨层容性加载超表面结构

1.1 常规的方形超表面结构

常见的方形超表面结构(Metasurface，MS)如图1所示，一般由方形金属贴片、单层介质基板和金属地板组成，其等效电路模型为一并联谐振回路[4，11]，如图1(c)所示。其表面阻抗由对地电感Ld和单元间间隙形成的边缘电容C0并联而得，谐振频点f0的计算公式为：

(a) 正视图 (b) 侧视图 (c) 等效电路模型

(1)

式中，边缘电容C0和对地电感Ld可近似为：

(2)

Ld=μh0。

(3)

由此可以发现，对于常见的方形超表面结构，其边缘电容C0的大小主要取决于由金属贴片的宽度W1及金属贴片间的间隙宽度G1，而等效电感Ld的大小主要取决于介质基板的厚度h0。因此，当介质基板选定时，超表面结构的谐振频率f0主要取决于金属贴片的宽度W1及贴片之间的间隙宽度G1。

1.2 跨层容性加载超表面结构的提出及小型化机理

基于以上方形超表面结构的等效电路，结合式(1)可知，若想实现超表面结构的小型化，选择合适的方式来增加等效电容是一种有效的方法。当等效电容增加时，谐振频点会相应地降低，进而实现结构的小型化。因此，提出了一种新型的跨层容性加载技术，通过在方形超表面结构上方加载印制有堆叠金属贴片的薄介质板以引入额外的跨层电容，从而降低谐振频点，实现超表面结构的小型化。具体结构如图2(a)和(b)所示，长度为La、宽度为Wa的堆叠贴片印制于厚度为h2的薄介质基板上，且放置于下层方形金属贴片之间间隙的正上方，与方形金属贴片跨层重叠。

与方形超表面结构类似，提出的跨层容性加载超表面结构的等效电路模型仍为并联谐振回路，但额外引入了跨层电容CS，如图2(c)所示。其中，电容C0仍由下层方形金属贴片间的缝隙提供，等效电感Ld由地板提供，而跨层电容CS则由上层堆叠贴片与下层方形金属贴片的重叠产生，且通过调节堆叠贴片的大小，可以调节跨层电容CS的大小。因此，2个跨层电容CS与一个边缘电容C0形成了最终的等效电容。对应地，其谐振频点f′0为:

(a) 正视图 (b) 侧视图 (c) 等效电路模型

(4)

显然，与常见的方形超表面结构相比(如式(1))，由于跨层电容CS的引入，所提出的跨层容性加载超表面结构的谐振频点会往低频移动。因此，从等效电路上验证了跨层容性加载技术能够增大等效电容，降低谐振频点，进而实现小型化的机理。

为验证上述等效电路的准确性，采用Ansoft HFSS仿真软件中的Floquet port周期模型对同一物理尺寸下的方形超表面结构、跨层容性加载超表面结构进行仿真分析及性能对比，如图3所示。

由图3可以看到，方形超表面结构的谐振频点f0在7.65 GHz处产生，而跨层容性加载超表面结构的谐振频点f′0在5.2 GHz处产生，谐振频点大大降低。表明跨层容性加载技术能够在保证物理尺寸不改变的情况下，有效降低超表面结构的谐振频点以实现小型化。这些分析结果也与上面等效电路的分析一致，验证了等效电路模型的准确性。

图3 2种超表面结构的反射相位曲线

1.3 跨层容性加载超表面结构的极化相关特性

超表面结构的极化相关特性[15]是指当超表面结构在2个正交方向上的表面阻抗不同时，其反射相位特性与入射波的极化相关，常被用于设计圆极化天线[15]。对于所提出的跨层容性加载超表面结构，因在x轴方向上加载堆叠贴片，而在y轴方向上未进行加载，因而x轴方向与y轴方向上的表面阻抗不同，最终2个正交方向x，y方向上所展现出的反射相位曲线Φx，Φy也有很大区别，显示出极化相关特性。当Φx与Φy的差值为±90°时，能提供实现圆极化所需的x，y两个正交分量的90°相位差。若入射波的极化方向为45°时，则可以实现圆极化的辐射特性[15]。

图4给出了所提出的跨层容性加载的超表面结构在x，y轴2个方向上的相位差。

图4 跨层容性加载的超表面结构在x，y轴方向的相位差

可以发现，该超表面结构在f1=5.2 GHz和f2=8.2 GHz这2个频点处的相位差均为90°，这表明所提出的跨层容性加载超表面结构具有潜在的宽带圆极化特性。

2 宽带小型化的圆极化超表面天线设计

为实现具有宽带小型化特性的圆极化超表面天线，下面将上述提出的小型化跨层容性加载超表面结构作为直接辐射体进行设计。基于跨层容性加载超表面结构的圆极化天线结构图如图5所示，超表面结构采用4×4的单元排布方式，通过微带线-斜耦合缝隙的馈电方式进行激励。从上至下，天线的结构包括4层金属层：堆叠金属贴片层、方形金属贴片层、蚀刻有斜耦合缝隙的金属地板和50 Ω微带线。天线所用的介质均为Rogers RO4003C，天线的具体结构尺寸如表1所示。

表1 天线结构参数

(a) 侧视图

能量经由微带线输入，再经斜缝隙耦合至超表面结构从而将能量辐射出去。这里，跨层电容的存在提供了实现圆极化所需的x，y两个正交分量的90°相位差；而斜馈电缝隙则提供Ei方向的入射波，当缝隙的倾斜角度θ为45°左右时，则可分解为2个等幅的正交入射波Ex和Ey，结合跨层容性加载超表面结构所提供的90°相位差，则相应地可以实现圆极化的辐射特性。同时，为实现更好的阻抗匹配，微带线采用扇形开路支节的结构形式，而缝隙也采用阶跃状的结构形式。

3 天线的仿真结果与性能比较

为了验证提出天线的可行性，采用PCB工艺对提出的跨层容性加载超表面天线进行加工测试，实物如图6所示。介质基板均选用Rogers RO4003C板材，从上至下有3层介质基板和4层金属层；介质基板的厚度分别为0.203，3.25和0.813 mm；4层金属层分别为堆叠贴片层、方形金属贴片层、耦合缝隙层和微带线层。这里，不同层间采用导电胶高温粘合的方式结合在一起，在金属部分涂导电胶，使其进行粘合。

图6 所提出的圆极化超表面天线的加工实物

仿真与测试的|S11|、轴比和增益曲线对比如图7所示。可以看到，测试结果和仿真结果吻合很好。具体来看，所提出的跨层容性加载超表面天线的相对阻抗带宽的测试结果为39.56%(5.82～8.69 GHz)；测试的3 dB轴比带宽为26.98%(6.54～8.58 GHz)；测试的最大增益值为6 dBi，且增益曲线非常平坦。此外，归一化的辐射方向图如图8所示。可以看到，测试结果与仿真结果几乎完全一致，在整个平面内右旋分量抑制均大于15 dB，呈现出很好的左旋圆极化辐射特性。因此，这些测试结果表明所提出的圆极化超表面天线具有良好的辐射特性。

(a) 阻抗系数特性

(a) xoz@8 GHz

本文提出的天线与部分文献所设计的圆极化超表面天线[9-10，14，16]的比较如表2所示。可以发现，本文提出的基于跨层容性加载的圆极化超表面天线在尺寸和性能上均有相当的优势，在保持宽带特性的同时，将尺寸缩减至0.4λ0×0.4λ0；此外，与其他超表面天线的小型化方法[11-14]相比，提出的跨容性加载方式具有更多的设计自由度，有一定的使用价值和应用前景。

表2 圆极化超表面天线比较

4 结束语

本文提出了一种基于新型跨层容性加载超表面结构的宽带小型化圆极化天线，通过在方形贴片上加载跨层贴片的方式引入跨层电容，减小了超表面结构的尺寸；结合斜缝耦合的馈电方式，实现了圆极化辐射。测量结果表明，天线的-10 dB阻抗带宽为39.56%，3 dB轴比带宽可达26.98%，带内最大增益可达6 dBi。辐射口径仅为0.4λ0×0.4λ0，比传统的方形贴片超表面天线减小了50%。该天线具有圆极化辐射性能良好、宽带、小型化和低剖面等优点，为现代宽带无线通信系统天线的实现提供了一种技术方案，也为圆极化超表面天线实现宽角扫描相控阵提供了潜在的可能。