基于人工表面等离激元的天线赋能技术

姚大悦， 何沛航， 张浩驰*， 范 轶， 崔铁军*

(1.东南大学毫米波国家重点实验室，南京，210096； 2.东南大学电磁空间科学与技术研究院，南京，210096; 3.东南大学微电子学院，南京，210096)

近年来，随着信息科学的不断发展，无线传输设备在导航、电子对抗、雷达、遥控、物联网设备及移动通信等领域被大规模使用[1-3]。而天线作为无线传输设备中不可或缺的部分，承担着辐射和接收电磁波的功能，被学术界和工程界广泛关注与研究[3-6]。但是，由于传统天线存在着尺寸和增益相互制约、高性能辐射与低雷达散射截面(radar cross section, RCS)的固有矛盾、以及宽带广角的波束可重构困难等问题，已成为制约以上应用的进一步发展的关键因素。

表面等离激元(SPPs)是一种存在于光波频段的特殊表面电磁波模式，可将电磁能量强束缚于金属-介质分界面的亚波长范围内，其沿着分界面切线方向传播，而在法线方向呈指数衰减[7-8]。然而，电子在金属中运动所造成的固有传播损耗限制了表面等离激元器件和系统的发展。虽然降低频率可有效解决损耗问题，但由于金属在微波和太赫兹频段呈现的完美导体特性，表面等离激元模式无法存在于微波及太赫兹频段。

为了解决这一问题，学者们提出在低频下用狭缝、孔或块的一维或二维阵列的金属结构，模拟表面等离激元模式的想法[9]。这种人工设计的周期性金属结构被称为人工表面等离激元(SSPP)结构，是表面等离激元在微波频段应用的延伸和拓展。利用人工设计排列的周期性金属结构单元，可在微波频段模拟金属的等离子体特性[10-12]，产生类似于光波频段的表面等离激元电磁波模式，并且可以通过调节金属结构尺寸实现对电磁波的调控。

由于独特的强场束缚、低损耗、可调控、小型化、易集成等优点，人工表面等离激元模式可被广泛应用于微波集成电路、隐身材料、天线等领域[13-23]。例如，人工表面等离激元模式的低损耗特性可用于实现各种高品质因子的亚波长器件[24]，如长距波导、低串扰互连[25]、和高灵敏度探测器[26]等。与相同空间尺寸的传统微带器件比较，新型的基于人工表面等离激元的无源和有源器件，如天线[27-38]、滤波器[39-40]、功率分配器[41]、放大器[42]、可调谐器件和可编程器件[43]等，具有许多如抑制相邻耦合[44]、减小介质损耗[45]和减小屏蔽盒体积[46-47]等卓越特性。

本文讨论了基于人工表面等离激元的天线赋能技术。针对现有天线存在的尺寸对材料属性过度依赖、低RCS天线辐射性能低、以及波束可重构方式少和范围小等瓶颈问题，着重讨论了基于人工表面等离激元的天线赋能技术，包括基于人工表面等离激元的天线小型化技术、RCS抑制技术、以及波束重构技术，为新型天线的研究提供新的思路和选择。

1 基于人工表面等离激元的天线小型化技术

随着无线便携设备的发展，小型化天线受到越来越多学者的关注。实现小型化天线最直接的方法包括使用高介电常数的基板[48],但此类基板往往价格较为昂贵且具有信号完整性等方面的劣势。此外还可利用电容贴片或短路引脚实现天线小型化设计[49-50]。文献[51]中采用弯曲槽方式，降低了天线谐振频率，减小了天线尺寸。就上述方法来说，天线尺寸和增益之间的相互制约关系以及小型化天线带来的窄带宽问题都限制了小型化高性能天线的发展。而利用人工表面等离激元模式的慢波特性与高相位常数，基于人工表面等离激元的天线可在保持良好的辐射特性的同时减小尺寸，可在常规介电常数基板上实现天线的小型化。

由于人工表面等离激元模式具有良好的慢波传输特性，文献[52]提出了一种利用人工表面等离激元结构减小非辐射边长度的方法来减小物理面积，从而实现小型化天线的设计，天线结构如图1所示。该天线在9 GHz下的有效尺寸为0.16λ0×0.16λ0×0.04λ0，远小于同性能下传统天线，而且实现了良好的辐射特性，具有低轮廓、紧凑设计和宽辐射角等特点，可用于未来无线通信系统。

图1 天线对比图

文献[53]利用人工表面等离激元的慢波特性，提出一种具有普通介电常数小型圆极化天线的设计，天线结构如图2所示，相比于传统的方形结构，该结构不仅可以减小尺寸，而且可以使TM10和TM01模式之间产生电磁耦合，实现良好的圆极化特性。辐射贴片的整体尺寸为0.17λ0×0.17λ0，面积约为常规贴片(0.5λ0×0.5λ0)的1/10。此外，该方法与现有天线设计相兼容，可促进圆极化天线的小型化发展。

图2 小型圆极化天线

准八木天线具有结构简单、方向性强、易于实现高增益等优点，但是也存在增益和结构尺寸之间的相互制约关系。文献[54]探索了一种新的准八木天线设计，天线结构如图3所示。天线主要由馈电结构和准八木结构组成。其中，人工表面等离激元馈电结构由过渡结构和人工表面等离激元巴伦组成。准八木结构比传统的结构长度分别减少了32%和27%，整体天线的尺寸为0.43λ0×λ0×0.0157λ0。

图3 天线的原理图

微带网格阵列天线以其高增益、宽带宽、易于配置等优点备受关注。文献[55]提出一种基于人工表面等离激元的微带网格阵列天线，和传统天线结构的对比如图4所示。传统结构如图4(a)所示，长边作为传输线，长度为λg，短边作为传输线和辐射元件，长度为λg/2。基于人工表面等离激元的天线结构如图4(b)所示，在保持良好辐射性能的同时，用人工表面等离激元结构代替长边微带线，该天线的有效尺寸为1.08λ0×2.07λ0×0.07λ0，与传统天线相比减小了36.3%。此外，该天线的10 dB阻抗带宽为12.5%，比传统天线(2.4%)性能优越，体现了其在毫米波无线系统中的应用潜力。

图4 微带网格阵列天线对比图

可见，利用人工表面等离激元具有慢波特性与高相位常数，可以解决传统小型化天线过度依赖高介电常数材料的问题，在常规介质基板上实现具有宽带高辐射特性的小型化天线，在无线通讯系统中有巨大的应用前景。

2 基于人工表面等离激元的RCS抑制技术

雷达散射截面(RCS)是目标在雷达接收方向上反射雷达信号能力的度量。随着现代战争雷达攻防博弈的不断发展，在不影响天线辐射性能的前提下减小天线的RCS越来越受到人们的关注。降低天线RCS的方法主要有以下4种：

1)在天线的接地面放置特殊吸收器或者亚波长散射阵列[56]，用以产生强吸收，改变散射波的主瓣方向或极化状态。但是这种方法仅适用于接地面积大的天线。

2)将部分反射面放置在天线上方，可吸收入射波或改变散射波的极化，从而降低天线的RCS[57]。但这种天线只能作为发射天线使用，且带宽狭窄。

3)改变辐射源和接地面的形状，例如采用分形结构[58]或几何成形方法[59]，通过去除表面电流较小的金属区域，降低金属部分的使用率，改变散射场，从而降低RCS。但是这种缺陷结构可能会影响天线与下层电路的隔离。

4)通过添加电阻或铁氧体磁性材料[60]可降低天线的RCS。但是此类损耗材料的引入会明显降低天线的效率。

当天线辐射器具有低带内损耗和高的带外吸收特性时，可作为带外吸收器使用。但如果工作频带和RCS减小频带非常接近，则要求材料处于吸收特性时候是强色散的。传统的雷达吸波材料虽然是色散的，但当天线的工作频带接近于吸波材料时，会在频带内产生大吸收特性[61]。人工表面等离激元的色散曲线位于光线下方，具有丰富的色散特性，存在线性的弱色散区，非线性的强色散区，可用于低RCS天线设计。

文献[61]提出了基于人工表面等离激元模式色散特性的低RCS天线，天线结构如图5(a)所示。天线由馈电单极子和垂直放置在金属地上的人工表面等离激元导向结构组成。通过设计可以使人工表面等离激元模式的截止频率接近馈电单极子的工作频率上限，从而使人工表面等离激元结构同时充当带内辐射器和宽带带外吸收器。仿真结果如图5(b)所示，和一个5×5的天线阵列的单元相比，在整个X波段(8.0～12.5 GHz)内，单元RCS降低10 dB以上，最大降低30 dB以上。该设计方法为低RCS天线提供了一种可行的替代方案。

图5 基于人工表面等离激元的RCS天线

文献[62]介绍了一种网状低RCS反射阵列天线。如图6(a)所示，天线由馈电喇叭和反射器组成。反射器可以在工作频带内将球面波转换为平面波，并传输带外入射波，从而获得低RCS特性。仿真结果如图6(b)所示，与参考天线相比，该天线在1.0～8.5 GHz和12.0～19.0 GHz频率范围内的RCS明显减小。

图6 网状化RCS反射阵列天线

文献[63]提出一种利用人工表面等离激元降低高增益辐射和RCS的各向异性超表面，可用于辐射和散射的独立波操纵。各向异性超表面由各向异性单元组成，如图7所示，可分别表现出x偏振和y偏振的反射模式和透射模式。通过改变单元的结构参数，可以实现宽范围内变化的x偏振反射相位和y偏振透射相位。通过与传统微带天线的集成，在23.5 GHz下获得了8.84 dB的高增益波束，并且在22～26 GHz范围内将RCS降低了10 dB以上。

图7 基于人工表面的等离激元的各向异性超表面

人工表面等离激元用于频率选择结构中，可实现高性能传输和散射偏转功能，降低阻带内的RCS[64-65]。文献[66]提出一种基于人工表面等离激元模式的频选结构，利用金属鱼骨结构，可在截止频率以下实现基于人工表面等离激元模式耦合的高效传输。

如图8(a)所示，在14.5～18.0GHz，设计了反射相位差在180°左右的2种不同的金属鱼骨结构。频选结构由具有0101/1010编码序列的1位编码超材料组成，每个编码元素由一个3×3排列的金属鱼骨结构组成。如图8(b)所示，和等尺寸金属板的理论RCS相比，在x极化波正入射下RCS减小的效果，可以看出RCS降低了10 dB以上。与其他基于吸收材料的低RCS结构相比，基于人工表面等离激元的频选结构的通带性能更好，过渡区更窄，且灵活性更高。

图8 基于人工表面等离激元模式的频选结构

综上所述，由于人工表面等离激元结构丰富的色散特性，可在不影响天线辐射性能的前提下减小天线的RCS，可广泛应用于隐身雷达系统的设计中。

3 基于人工表面等离激元的波束重构技术

波束重构技术指的是波束随着天线工作条件改变而发生改变的技术。波束重构可以通过天线阵列或者附加机械转向结构来实现，但是分别存在系统复杂昂贵及扫描速度慢等问题[67-68]。人工表面等离激元结构的特性随着尺寸的变化而变化，为设计结构紧凑、超宽带、广角的波束可重构天线提供一种新的可能方案。下面分别介绍基于人工表面等离激元的频率扫描波束重构技术、模式切换波束重构技术、以及电控波束重构技术。

3.1 频率扫描波束重构

频率扫描天线是指天线主波束方向随着频率变化而变化的天线。传统的频率扫描天线实现方法有使用天线阵列周期结构的漏波天线，具有结构紧凑，制作简单等优点，但是带宽和波束扫描角还有很大的进步空间[69]。

文献[70]提出了一种基于贴片阵列实现的频率扫描天线的方法，由具有梯度波纹槽和扩口地面的人工表面等离激元结构馈电，最大扫描角度可达到83°。此外，学者们还提出基于人工表面等离激元和透射相位梯度超表面的频率波束扫描天线的设计方法，但是该天线的工作带宽仍然很窄，结构也较为冗余[71]。

前述方法受到尺寸，扫描角度和多层设计复杂等方面的限制，文献[69]提出了一种平面人工表面等离激元结构天线，可实现高阶模态的广角频率波束扫描天线，可用于平面集成通信系统。该天线采用在标准50 Ω共面波导中线上蚀刻的孔阵列来产生人工表面等离激元模式，并利用其高阶模式辐射电磁波。同时，为了提高天线的阻抗匹配性，提出了一种正弦孔设计，如图9所示。波束扫描可以在11.7～50 GHz的宽带范围内工作，扫描范围可达129°，平均增益水平为10.92 dBi。

图9 人工表面等离激元结构天线

文献[72]介绍了一种基于人工表面等离激元的广角扫描增益一致的宽带漏波天线，如图10所示。通过在单元结构中引入叉指金属条，可以在相同的截止频率下实现更小的传输线宽度，利用人工表面等离激元模式的慢波特性，可以有效拓宽漏波天线的光束扫描范围。在11～16 GHz(37%)的带宽内，测量波束范围为-54°～+6°，在火控雷达、成像雷达等应用中具有一定的实用价值。

图10 宽带漏波天线

文献[73]介绍了一种基于人工表面等离激元的周期性调制的方位面上全向天线，可在俯仰面上实现频率扫描的波束重构，如图11所示。天线在9.3 GHz上与z轴成55°角辐射，方向性系数为12.2 dBi，见图11(b)。在俯仰面上，当频率从8.4 GHz改变到10.2 GHz时，波束改变范围从67.7°～35.6°，见图11(c)。

图11 基于人工表面等离激元的

3.2 模式切换波束重构

人工表面等离激元传输线中支持奇模和偶模两种基础模式的传播，通过特殊设计的结构，可实现人工表面等离激元奇偶模切换，为宽角度波束重构天线提供一种新思路。

基于此原理，文献[74]提出了一种基于人工表面等离激元模式切换的波束重构天线，如图12所示。在天线中引入了3个PIN二极管控制的可重构电路，通过加载正向或反向偏置电压，该天线可以在人工表面等离激元传输线上激励奇偶模，实现传输模式转换，进而实现奇模的端射辐射波束和偶模的横向扫描波束。

图12 波束重构天线

天线在7.37～8.33 GHz范围内，端口1和2都具有12.23%的阻抗带宽，且两端口之间的隔离度为24.9 dB，通过切换天线的工作状态，该天线可以在4.85 GHz下实现近84°波束切换，是WLAN和卫星通信应用的理想候选天线。但是此结构频带较窄，可以通过多端口的波导馈电加以改进，实现宽频带的可重构天线。

3.3 电控波束重构

在实际应用中，定频波束重构天线一直是一个重要的研究热点。一维法布里-珀罗漏波天线通过使用可调谐高阻抗表面[75-76]可实现定频波束扫描，但是扫描角度范围较小，只有21°左右。

人工表面等离激元和变容管的组合可以实现对天线表面阻抗的调控，进而实现定频下的天线波束可重构。文献[77]提出一种电控基于人工表面等离激元的固定频率波束扫描的漏波天线，如图13所示。通过改变人工表面等离激元结构沟槽深度对表面阻抗进行周期性调制，导波可转换为具有频率扫描特性的漏波辐射。此外，通过直流偏置电压改变变容二极管的电容，可以重新调制天线的表面阻抗，从而使辐射光束以固定频率在大角度范围内转向。仿真实测结果表明，改变直流偏置电压0～20 V，可以控制辐射波束在5.5～5.8 GHz的频率范围内连续转向，扫描角可达45°。

图13 定频波束扫描漏波天线

文献[78]提出一种基于人工表面等离激元的双频固定频率波束扫描漏波天线，如图14所示。由电容器和变容二极管交替放置的均匀波纹状微带线，其单元在2个不同的频带上支持2种模式。在每个频带中，改变变容管的偏置电压可以实现对微带的表面特性阻抗的调控，以实现对波束的调控。在4.25 GHz和5.75 GHz下，通过改变偏置电压从0～10 V，天线可调节的波束角度范围为80°和22°。该天线具有低成本、低剖面、双频和多功能固定频率扫描等优点，在雷达和卫星通信系统中具有潜在的应用前景。

图14 电控双频波束可重构天线原理图[78]

总的来说，得益于人工表面等离激元结构的慢波特性，可以为设计结构紧凑、超宽带、广角的波束扫描天线提供新的可能方案。由于人工表面等离激元传输奇偶模呈现的不同辐射特性，可外加控制电路实现波束切换的功能。此外，人工表面等离激元结构和变容管结合，可实现大扫描范围的定频波束扫描。

4 结语

针对传统天线的一些痛点问题，例如小型化天线对材料过度依赖、高性能辐射和低RCS特性不可兼得、天线波束可重构方式少且范围小等问题，本文详细介绍了几种具有代表性的人工表面等离激元天线赋能技术，包括基于人工表面等离激元的天线小型化技术、RCS抑制技术以及波束重构技术。由此可见，人工表面等离激元高相位常数特性可在常规材料上实现具有宽带高辐射特性的天线，其灵活的色散特性可在不影响天线辐射性能的前提下减小天线的RCS。此外，人工表面等离激元的引入可以为实现结构紧凑，超宽带，广角的扫频或定频波束可重构天线提供新的可能方案。事实上，除本文着重介绍的3种天线赋能技术外，人工表面等离激元独特而丰富的物理特性还可为天线赋予更多维度的新能力，从深度与广度上进一步扩展天线的应用范围。

同时也需要认识到，基于人工表面等离激元的天线赋能技术目前仍处于初级阶段，尚存在包括以下方面在内的问题：①人工表面等离激元天线赋能技术的定量分析理论尚未成熟，其设计过程较多地依赖仿真软件；②结构较为复杂，设计过程较为繁琐，不便于科研与工程人员学习与应用；③人工表面等离激元技术在复杂甚至极端情境下工作的相关资料及数据不足，其在天线赋能方面的实用效果尚未被广泛证明。