一種超表面寬帶圓極化交叉偶極子天線設(shè)計

徐煜思，張福恒，楊國敏

(復(fù)旦大學(xué) 電磁波信息科學(xué)教育部重點實驗室，上海 200433)

圓極化天線由于具有圓極化特性而在現(xiàn)代無線通信中被廣泛使用，圓極化特性能夠保證天線接收任意極化形式的電磁波從而避免極化不匹配帶來的損失，并且能夠避免法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)產(chǎn)生的信號損失，圓極化天線具體的應(yīng)用場景有衛(wèi)星通信[1]、射頻識別[2]、無線局域網(wǎng)[3]和全球定位系統(tǒng)[4]等.在過去的幾十年中，很多學(xué)者對圓極化天線進行了研究，文獻[5]通過使用3-dB混合耦合器實現(xiàn)了超寬帶微帶孔徑天線，盡管具有42.6%的圓極化相對帶寬和32.35%的2∶1電壓駐波比，該天線無法降低后向輻射且增益相對較低.文獻[6-7] 提出了使用螺旋天線來實現(xiàn)圓極化輻射性能，但螺旋天線的剖面相對較高，不利于小型化設(shè)計.文獻[8]中提出了一個寬帶圓極化介質(zhì)諧振器天線，但是該天線需要一個設(shè)計復(fù)雜的外部饋電網(wǎng)絡(luò).文獻[9-11]將交叉偶極子天線的偶極子臂通過順序旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)圓極化，但這些天線的體積都比較大.

近些年，利用二維人工均勻或非均勻結(jié)構(gòu)構(gòu)造的超材料表面引起了極大關(guān)注.超材料表面通常由電小散射結(jié)構(gòu)通過規(guī)則或不規(guī)則周期性排列而成.結(jié)合了超材料表面的天線設(shè)計通常能提高天線的性能，如提高阻抗帶寬[12]、提高增益[13]、減小剖面[14]等，文獻[15]中，采用一個雙頻人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)作為單饋非對稱交叉偶極子的發(fā)射器來提高天線帶寬和降低天線剖面.

本文設(shè)計了一種采用超材料表面作為反射器的低剖面圓極化交叉偶極子天線，與其他已經(jīng)發(fā)表的圓極化交叉偶極子天線[9-11，15]相比，該天線具有僅為0.04λ0的低剖面，并且相比于文獻[15]中使用人工磁導(dǎo)體作為反射器的非對稱偶極子天線具有更好的寬帶圓極化性能和更簡單的結(jié)構(gòu).在進行了設(shè)計優(yōu)化之后，比較了本文提出的帶超材料反射面的交叉偶極子天線、不帶反射面的交叉偶極子天線和采用金屬反射面的天線的性能，通過比較驗證了本文所提出的利用超材料表面做反射面的寬帶圓極化交叉偶極子天線的性能良好.

1 天線和超材料表面結(jié)構(gòu)

天線和超材料表面結(jié)構(gòu)如圖1(見第204頁)所示，天線部分由2對扇形偶極子組成，分別制作在基板的正反兩面，基板頂部的扇形偶極子具有2個扇形臂，由3/4圓環(huán)連接從而在2個正交偶極子臂之間引入90°相位延遲，其中一個扇形臂向中間連接一個寬度為W3的方形貼片，該方形貼片用來連接穿過基板的同軸電纜，稱其為饋電貼片；基板底部的扇形偶極子與上面的結(jié)構(gòu)完全一致，并且相對于頂部偶極子旋轉(zhuǎn)了180°.介質(zhì)板采用厚度H1=0.5mm的F4B材料，其相對介電常數(shù)為2.65，損耗角正切為0.004.天線的諧振頻率主要由扇形偶極子的半徑R2決定，相位延遲由3/4圓環(huán)的外徑R3和寬度W2決定.

(1)

其中： +/-分別代表左旋/右旋圓極化方向；|rx|，|ry|，φx和φy分別表示沿著x軸和y軸方向的反射系數(shù)和相位，只有當(dāng)超材料表面滿足|rx|=|ry|和|φx-φy|=180°的條件時，反射圓極化波才能保持和入射波完全相同.為了滿足該特點，提出了如圖1(c)所示的超材料表面，采用厚度H2=1.5mm、介電常數(shù)4.4和損耗角正切為0.004的FR4介質(zhì)基板，在上面刻蝕了4×4單元陣列，單元長度和寬度分別為L0和W0，介質(zhì)基板長度和寬度分別為L和W，天線和超材料反射面之間的空氣層間隔為H.

2 天線的仿真與測量

交叉偶極子天線和MS的設(shè)計和優(yōu)化都通過軟件HFSS[15]完成，圖2是在不同的R2值下天線的反射系數(shù)|S11|和軸比λ，當(dāng)R2從23.3mm增大到27.3mm時諧振頻率向低頻移動，2個偶極子臂之間的相位差也受到影響，如圖2(b)中軸比的輕微變化，據(jù)此選取R2的最優(yōu)值為25.3mm.在不同的空氣層間距H下天線|S11|和軸比隨頻率的變化如圖3所示，降低空氣層H會導(dǎo)致天線和MS反射面之間產(chǎn)生強烈的互耦，臨界點在3.0mm附近，間距小于3.0mm時反射系數(shù)和軸比都會隨著高度減小受到超材料反射面的影響而惡化，當(dāng)間距大于3.0mm時軸比受間距影響不大但反射系數(shù)會受到影響，為了在保證天線具有良好特性的基礎(chǔ)上具有盡可能小的剖面高度，選擇H=3.0mm作為最優(yōu)值.整個結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的參數(shù)值分別為：R1=45.0mm，R2=25.3mm，R3=6.3mm，W1=W2=1.0mm，W3=6.5mm，L=113.6mm，W=109.6mm，L0=26mm，W0=25.2mm，H=3.0mm.

圖3 不同空氣層間距H下天線|S11|和軸比的仿真結(jié)果Fig.3 Simulated results of |S11| and axial ratio as a function of H

圖4 帶超材料反射面的交叉偶極子天線實物圖Fig.4 Prototype of the cross dipole antenna with MS

加工后的天線整體如圖4所示，應(yīng)用Agilent E5071C矢量分析儀對天線進行測試，得到的反射系數(shù)|S11|和軸比見圖5.為了顯示超材料反射面對交叉偶極子性能的改善，圖5(a)比較了帶超材料反射面的天線、帶MR的天線和沒有反射面的天線的反射系數(shù)，可以看到，帶超材料反射面的交叉偶極子天線的測試和仿真結(jié)果基本一致，在2.26～2.74GHz頻段內(nèi)反射系數(shù)小于-10dB，并且在2.45～2.74GHz頻段內(nèi)，反射系數(shù)的測試結(jié)果比仿真結(jié)果更好，相比于沒有反射器的交叉偶極子天線，帶寬更寬且反射系數(shù)性能更好，而當(dāng)用相同面積的金屬板代替超材料反射面時，由于天線的阻抗匹配受到很大影響而導(dǎo)致反射系數(shù)急劇惡化.圖5(b)比較了它們的軸比，可以看到帶有超材料反射面的交叉偶極子天線的測試和仿真結(jié)果基本一致，在2.4～2.65GHz頻段處軸比小于3dB，而無反射器的交叉偶極子輻射的是橢圓極化波，用金屬板做反射面的天線輻射的是線極化波.由此可見，合適的超材料反射面可以改善交叉偶極子天線的阻抗帶寬和軸比，從而提高性能.

圖5 |S11|和軸比仿真和測試結(jié)果Fig.5 Simulated and measured results of |S11| and AR

圖6(a)～(d)展示了帶超材料反射面的交叉偶極子天線在t=0，t=T/4，t=T/2和t=3T/4(T代表一個時間周期)時4個臂上的電流分布，可以看到電流沿著順時針方向流動，形成左旋圓極化(Left Hand Circular Polarization, LHCP).如饋電貼片和扇形偶極子的另一個臂相連，則電流會沿相反方向流動從而發(fā)射右旋圓極化波.

圖6 帶超材料反射面的交叉偶極子天線在不同時間的電流分布Fig.6 Current distribution of the cross dipole antenna with MS

圖7 天線增益的測量和仿真結(jié)果Fig.7 Simulated and measured results of antenna gains

天線的增益采用比較法測量，采用與本文中的天線同為左旋圓極化的源天線和標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線，首先將源天線和標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭對通，喇叭天線接收到的功率為Ps，然后將源天線與本文提出的天線對通，本文提出的天線接收到的功率為Pr，最后用公式計算天線的增益Gr=Gs+(Pr-Ps)，得到的結(jié)果如圖7所示，當(dāng)天線加上超材料反射面時，測量和仿真增益基本一致，在工作頻段內(nèi)可達5.0dBic并且在中心頻率2.45GHz處達到7.7dBic的峰值，而沒有反射面的天線增益只能達到2.8dBic.天線在2.4、2.5和2.6GHz處的歸一化輻射方向圖的仿真和測量結(jié)果如圖8所示，可以看到測量得到的輻射方向圖存在毛刺，但平均值與仿真得到的結(jié)果基本一致，毛刺的產(chǎn)生源于測量誤差，天線在3個頻點處的背面的輻射增益比正面的輻射增益都小20dB左右，說明超材料反射面的使用很好地改善了天線的前后比.

圖8 天線在2.4、2.5和2.6GHz處的左旋圓極化歸一化輻射方向圖Fig.8 Simulated LHCP normalized radiation patterns and measured normalized radiation patterns at 2.4, 2.5 and 2.6GHz

將本文所提出的天線和其他3個文獻中提出的天線在設(shè)計方法、阻抗相對帶寬、圓極化相對帶寬和剖面高度4方面進行了對比，如表1所示.可以看到，雖然相比于文獻[8]和[9]，本文提出的天線的相對帶寬較小，但該天線的剖面高度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于參考文獻；而相比于文獻[15]，本文提出的天線雖然剖面高度是其2倍，但相對帶寬卻是其10倍左右.綜上來看，本文提出的圓極化天線的設(shè)計方法在保證天線具有低剖面的同時也使得天線具有更好的阻抗帶寬和圓極化帶寬，與其他的圓極化天線設(shè)計方法相比具有一定的優(yōu)勢.

表1 天線性能與其他文獻的對比

3 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種帶超材料反射面的圓極化交叉偶極子天線.通過引入超材料結(jié)構(gòu)作為反射器，顯著改善了原交叉偶極子天線的帶寬、圓極化和前后比性能.測試結(jié)果表明： 設(shè)計的天線在2.26～2.74GHz反射系數(shù)小于-10dB，獲得19.6%的阻抗帶寬，在2.4～2.65GHz軸比小于3dB，具有10.2%的軸比帶寬，并且在2.3～2.6GHz內(nèi)增益大于5.0dBic.該天線尺寸較小，結(jié)構(gòu)簡單，易于加工且具有良好的工作帶寬、圓極化特性、高增益和前后比，可以應(yīng)用于無線傳播系統(tǒng)及衛(wèi)星導(dǎo)航等眾多領(lǐng)域.