基于超表面的极化可重构天线设计

袁一杰 ,孙学宏

(1.宁夏大学 物理与电子电气工程学院,宁夏 银川 750021;2.宁夏大学 信息工程学院,宁夏 银川 750021;3.宁夏沙漠信息智能感知重点实验室,宁夏 银川 750021)

可重构天线[1-2]可以将多个天线或多种功能集成于一个天线,极大地提升了天线的性能。可重构天线按照功能可分为极化可重构、频率可重构和方向图可重构天线等,对于极化可重构天线[3-5],在保证工作频率和辐射方向图不变的前提下,改变自身的极化特性,并且能够完成圆极化和线极化间的切换。

超材料[6-7]是一类超越天然材料、具有超常物理特性的人工复合材料,一般是由相同或相似的金属按照周期性或非周期性排列的单元结构。根据需求,可以设计出负介电常数和负磁导率等特殊的电磁特性。超表面[8-10]是二维结构的超材料,在FSS 频率选择表面和RCS 缩减等方面[11-12]已经取得许多突破性的研究进展,是天线领域中越来越热门的研究方向。Zhu等[13]提出了一种低剖面的极化可重构超表面天线,通过对8 个PIN 二极管开关的控制,实现天线的极化可重构功能,轴比带宽达到8.3%。张永亮等[14]设计了一种对角型的超表面缝隙天线,通过机械的方式来实现天线的圆极化可重构,轴比带宽达到11.4%。刘双兵等[15]设计了一种基于超表面的双频双圆极化天线,利用微带线和缝隙耦合的方式进行馈电,分别在6.24～6.58 GHz 和5.02～5.38 GHz 内产生水平极化和垂直极化,最终转换为左旋和右旋圆极化,轴比带宽分别达到15.2%和12.9%。Ni 等[16]提出了一种基于超表面的频率-极化可重构天线,采用双缝隙天线结构,通过改变超表面和缝隙天线的位置,实现线极化和圆极化的可重构,最大增益达到16.5 dBi。Hu 等[17]设计了一种4×4 低剖面超表面天线,通过改变馈电方式,可以在5.6 GHz 实现线极化和圆极化的可重构功能,最大增益分别为9.39 dBi 和9.85 dBi。

基于对上述文献的分析和研究[13-17],为解决极化失配的问题,提高天线的圆极化轴比和辐射增益等性能,本文设计了一种基于超表面的极化可重构天线。对设计的超表面天线采用机械方式旋转,无需电控方式,可以避免PIN 二极管、MEMS 开关等电子元器件对天线性能的影响。对设计的超表面天线进行加工和测试,然后通过对仿真和实测结果的研究,分析超表面天线的反射系数、轴比、辐射效率和辐射增益等天线性能,证明了超表面天线的极化可重构功能。

1 超表面天线的设计

图1 所示为超表面天线的结构图,由上层结构的圆弧切角矩形单元和下层结构的微带缝隙天线组成。因为设计的超表面天线需要进行机械旋转的操作,所以将超表面天线的整体结构设计为圆形形状。超表面天线的两个介质层基板均采用半径为39 mm、厚度为1.524 mm 和介电常数为3.48 的Rogers 4350B,其中上层结构的介质层基板背面和下层结构的微带缝隙天线直接接触,采用同轴线馈电方式[13]。

图1 超表面天线的结构图Fig.1 Structure of metasurface antenna

2 等效电路原理

如图2 所示为圆弧切角矩形单元结构。图2 中,将电场矢量E分解为两个不同的正交向量E1和E2,当超表面天线的圆弧切角矩形单元置于微带缝隙天线的上层时,为左旋圆极化(LHCP)状态。如图3 所示,为矩形单元结构的等效电路图。当矩形单元结构没有圆弧切角时,结构是对称性的,所以正交向量E1和E2是大小相等的,可以用等效电路RLC来表示。

图2 圆弧切角矩形单元结构Fig.2 Structure of circular tangent angle rectangular unit

图3 中等效电路的表达式为:

图3 等效电路图Fig.3 Equivalent circuit diagram

式中:Z代表阻抗;L代表电感;C代表两个相邻矩形单元结构中缝隙产生的电容。

当矩形单元结构有圆弧切角时,由于圆弧切角矩形单元结构是不对称的,所以E1和E2的阻抗分别为两个大小不相等的Z1和Z2,其表达式为:

圆弧切角会改变两个相邻矩形单元结构的缝隙距离,公式(2)和(3)中,假设X′1变大时,会使Z2的阻抗大于Z1的阻抗,故可以通过改变圆弧切角的尺寸来改变Z1和Z2间的相位差。当θ沿顺时针方向旋转90°时,X′2变大,会使Z1的阻抗大于Z2的阻抗,表示滞后的角度为90°,超表面天线辐射的电磁波会从左旋圆极化波切换为右旋圆极化波。当θ沿顺时针方向旋转45°或者135°时,因为X′1和X′2不变,所以和有相同的幅度和相位,超表面天线辐射的电磁波为线极化波。

超表面天线的旋转角度在0°到180°范围内,当旋转角度θ=0°时,为左旋圆极化状态;当旋转角度θ=90°时,为右旋圆极化状态(RHCP);当旋转角度θ=45°或θ=135°时,为线极化状态(LP)。

3 优化设计

使用仿真软件ANSYS HFSS 对超表面天线的圆弧切角矩形单元的相关参数进行优化和分析,其中包括:圆弧切角矩形单元的边长a、圆弧切角b和单元间距c。因为左旋圆极化和右旋圆极化互为镜像状态,所以只对左旋圆极化状态进行参数分析。当θ=0°时,为左旋圆极化状态,分析改变参数对反射系数和轴比的影响,其中轴比是衡量超表面天线圆极化特性的重要因素,将轴比是否小于3 dB 作为衡量标准,然后确定圆弧切角矩形单元结构的最优尺寸参数。

图4 中,改变参数a会对中心频率点、阻抗带宽和轴比带宽产生较大影响,当参数a=17 mm 时,阻抗带宽和轴比带宽均较窄,而当参数a=21 mm 时,虽然阻抗带宽较宽,但是轴比特性却特别差;当参数a=19 mm 时,阻抗带宽和轴比带宽均为最优。通过对比,将参数a=19 mm 作为圆弧切角矩形单元的边长尺寸。

图4 参数a 对反射系数和轴比的影响Fig.4 Effect of parameter a on reflection coefficient and axial ratio

图5 中,改变参数b会对轴比带宽产生较大影响,而中心频率点和阻抗带宽基本不变。当参数b=7 mm和b=9 mm 时,阻抗带宽基本相同,而轴比带宽却逐渐向下移动,其中b=7 mm 的轴比带宽最差。当参数b=8 mm 时,阻抗带宽和轴比带宽均为最优。通过对比,将参数b=8 mm 作为圆弧切角矩形单元的圆弧切角尺寸。

图5 参数b 对反射系数和轴比的影响Fig.5 Effect of parameter b on reflection coefficient and axial ratio

图6 中,改变参数c会对中心频率点、阻抗带宽和轴比带宽产生较大影响,当c=0.5 mm 时,阻抗带宽为最宽,不过中心频率点却发生较大偏移;而当c=1.5 mm 时,轴比带宽相对较宽,但是阻抗带宽却较窄;对比c=1.0 mm 时,中心频率不仅没有发生较大偏移,而且轴比带宽也相对较宽。通过对比,将参数c=1.0 mm作为圆弧切角矩形单元结构中单元间距的尺寸。

图6 参数c 对反射系数和轴比的影响Fig.6 Effect of parameter c on reflection coefficient and axial ratio

4 仿真和实测结果

如图7 所示,为超表面天线的实物图。通过对超表面天线结构中圆弧切角矩形单元的相关参数进行分析和优化,确定圆弧切角矩形单元的尺寸参数为:a=19 mm,b=8 mm 和c=1 mm。对超表面天线在左旋圆极化、右旋圆极化和线极化状态下的反射系数、轴比、辐射效率和辐射增益的仿真和实测结果进行对比和分析。如图8 所示,为超表面天线实测图。图8(a)是超表面天线与矢量分析仪的实测图;图8(b)是超表面天线置于微波暗室的实测图,通过将超表面天线和矢量网络分析仪分别置于微波暗室中,对超表面天线进行实物测试。如表1 所示,为超表面天线的尺寸参数。

表1 超表面天线的尺寸Tab.1 Dimension of metasurface antenna mm

图7 超表面天线实物图Fig.7 Metasurface antenna object

图8 超表面天线实测图Fig.8 Metasurface antenna measurement

4.1 反射系数

如图9 所示,为不同旋转角度时,天线反射系数的仿真和实测结果对比。如图9(a),当旋转角度θ=0°时,左旋圆极化的阻抗带宽仿真和实测结果分别为2.98～4.10 GHz 和3.07～3.99 GHz,实测中曲线向右小幅度偏移。如图9(b),当旋转角度θ=45°时,线极化的阻抗带宽仿真和实测结果分别为3.23～4.05 GHz 和3.39～4.04 GHz,两曲线趋于近似。如图9(c),当旋转角度θ=90°时,右旋圆极化的阻抗带宽仿真和实测结果分别为2.98～4.11 GHz 和2.89～3.88 GHz,实测中曲线向左略微偏移,整体趋势相似。如图9(d),当旋转角度θ=135°时,线极化的阻抗带宽仿真和实测结果分别为2.87～3.78 GHz 和2.69～3.63 GHz,实测中曲线向左有小幅度偏移。当θ=0°和θ=90°时,为左旋圆极化和右旋圆极化,由于超表面天线结构的对称性,所以两种圆极化互为镜像状态;当θ=45°和θ=135°时,为线极化。综上,超表面天线中反射系数的仿真结果与实测结果对比,产生了小幅度偏移,但曲线整体趋势近似。

图9 反射系数的仿真和实测结果对比Fig.9 Comparison of simulation and measurement results of reflection coefficient

4.2 轴比

图10 为LHCP 和RHCP 轴比的仿真和实测结果对比。如图10(a),当θ=0°时,左旋圆极化的仿真和实测结果中轴比带宽分别为3.21～3.64 GHz 和3.34～3.70 GHz。实测中,轴比带宽产生约0.07 GHz 小幅度缩减,曲线向右偏移。如图10(b),当θ=90°时,右旋圆极化的仿真和实测结果中轴比带宽分别为3.20～3.64 GHz 和3.12～3.56 GHz。实测中,轴比带宽近似,曲线向左偏移。由于加工工艺和实测过程等原因,造成实测结果中左旋圆极化的轴比带宽产生约0.07 GHz 小幅度缩减,左旋圆极化和右旋圆极化均有小幅度偏移,设计的超表面天线可以实现极化可重构功能。

图10 LHCP 和RHCP 轴比的仿真和实测结果对比Fig.10 Comparison of simulation and measurement results of axial ratio of LHCP and RHCP

4.3 辐射效率

图11 为圆极化和线极化辐射效率的仿真结果。图11(a)中,左旋圆极化和右旋圆极化中辐射效率的幅度变化较小;图11(b)中,两种线极化中辐射效率的幅度变化趋势相近。左旋圆极化、右旋圆极化和线极化的辐射效率均大于82%。

图11 圆极化和线极化辐射效率的仿真结果图Fig.11 Simulation results of circular polarization and linear polarization radiation efficiency

4.4 辐射增益

图12 为圆极化和线极化辐射增益的仿真结果。如图12(a),当θ=0°时,左旋圆极化的E 面和H 面辐射增益均大于6.8 dB。如图12(b),当θ=45°时,线极化的E 面和H 面辐射增益均大于7.8 dB。如图12(c),当θ=90°时,右旋圆极化的E 面和H 面辐射增益也均大于6.8 dB。如图12(d),当θ=135°时,线极化的E 面和H 面辐射增益均大于5.4 dB。左旋和右旋圆极化的辐射增益均大于6.8 dB,线极化的辐射增益分别大于7.8 dB 和5.4 dB,超表面天线的辐射增益整体较好。

图12 圆极化和线极化辐射增益的仿真结果Fig.12 Simulation results of circular polarization and linear polarization radiation gain

表2 为超表面天线的仿真和实测结果对比。本文设计的超表面天线通过机械方式旋转,可以在3.20～3.64 GHz 内实现左旋圆极化、右旋圆极化和线极化,可以相互转换,且阻抗带宽、轴比带宽、辐射效率和辐射增益等性能均符合设计要求。不过由于加工工艺和实测过程等原因,仿真和实测结果存在一定的误差,但基本趋势是比较吻合的。

表2 超表面天线的仿真和实测结果对比Tab.2 Comparison of simulation and measurement results of metasurface antenna

5 结论

本文设计了一种基于超表面的极化可重构天线,通过机械的方式旋转上层结构的圆弧切角矩形单元,在0°～180°内有三种不同的极化状态,分别为左旋圆极化、右旋圆极化和线极化,且极化状态能够在3.20～3.64 GHz 内相互转换。通过仿真和实测结果对比,证明了所设计的超表面天线在左旋圆极化和右旋圆极化状态下,阻抗带宽为2.98～4.10 GHz,相对带宽达31.6%,辐射增益均大于6.8 dBi;在线极化状态下,相对带宽达17%,辐射增益均大于5.4 dB,其中圆极化和线极化的辐射效率也较高,约为82%。综上所述,所设计的超表面天线具有极化可重构功能,且天线性能较好,符合设计要求。