基于超表面的低剖面寬帶圓極化天線

張際　徐溯　刁楊華　陳志　于寶輝

【摘要】? ? 基于超表面設(shè)計(jì)了一款低剖面、寬帶、圓極化天線。天線由改進(jìn)的Wilkinson功分器饋電實(shí)現(xiàn)寬帶90°相位差，超表面單元在傳統(tǒng)方環(huán)形單元上加載箭頭結(jié)構(gòu)來增加額外的等效電容，進(jìn)一步改善了天線帶寬和增益性能。仿真和測試結(jié)果表明，天線的阻抗帶寬為36.7%（2.0 GHz -2.9 GHz），3dB軸比帶寬為26.1%（2.0 GHz -2.6 GHz），保持穩(wěn)定右旋圓極化輻射，峰值增益8dBic，整體天線厚度僅0.05λ0（6mm）。

【關(guān)鍵詞】? ? 天線? ? 圓極化? ? 寬帶? ? 超表面? ? 低剖面? ? 功分器饋電網(wǎng)絡(luò)

引言：

超表面是一種二維平面電磁結(jié)構(gòu)，由哈佛大學(xué)的Yu N于2011年提出[1]。因其具有相位調(diào)制的特性，可實(shí)現(xiàn)電磁波極化可調(diào)和傳播可控，近些年來獲得廣泛關(guān)注。超表面出色的極化調(diào)控功能可以用來實(shí)現(xiàn)線極化與圓極化的轉(zhuǎn)換。2013年西北工業(yè)大學(xué)的Zhu H L等人設(shè)計(jì)了帶有對角微帶線的矩形環(huán)超表面單元，可以將線極化信號轉(zhuǎn)換成圓極化[2]，該設(shè)計(jì)不僅可以使簡單的線極化源天線（貼片天線和縫隙天線）能轉(zhuǎn)換為圓極化天線，而且能將工作帶寬增加到25%以上，3dB軸比帶寬約7.3%，同時(shí)天線整體剖面小于0.078λ0。2020年Liu Y等人設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)45°的橢圓形貼片周期性陣列，實(shí)現(xiàn)線-圓極化轉(zhuǎn)換[3]，整體剖面低，能實(shí)現(xiàn)20.6%的阻抗帶寬和17.4%軸比帶寬;2021年Supreeyatitikul N等人設(shè)計(jì)了S形單元進(jìn)行極化調(diào)控，阻抗帶寬有43.2%，軸比帶寬有22%，同時(shí)具有小型化特點(diǎn)，可用于衛(wèi)星通信應(yīng)用[4]。

超表面具有傳播可控特性，合理加載超表面能有效提高天線孔徑效率，增強(qiáng)天線工作帶寬和輻射特性。2016年Zhao W等人設(shè)計(jì)了用于C波段衛(wèi)星通信的寬帶超表面圓極化天線[5]。源天線是傾斜縫隙耦合天線，產(chǎn)生橢圓極化波，而加載4×3矩形貼片單元后，天線阻抗帶寬擴(kuò)展到33.7%，3dB軸比帶寬為16.5%，整體天線厚度0.07λ0，缺點(diǎn)是背面輻射較大，平均天線增益較低，僅5.8dBic;2017年Ta. S. X.等人設(shè)計(jì)了單饋圓極化天線，源天線是截角的方形天線，利用4×4周期性貼片激發(fā)表面波，有效提高阻抗帶寬到45.6%，同時(shí)天線大小僅0.58×0.58×0.056λ0 [6];2020年 Hussain N等人設(shè)計(jì)了單層低剖面圓極化超表面天線[7]，源天線是截角方形貼片產(chǎn)生圓極化信號，在同一層上加載6×6的方形貼片提高天線性能，在低剖面的結(jié)構(gòu)條件下具有寬帶、高效率、高增益的優(yōu)良特性。

近些年來特征模分析也逐漸應(yīng)用到設(shè)計(jì)圓極化超表面天線中。2018年Zhao C等人通過特征模原理設(shè)計(jì)一款H形單元圓極化超表面天線[8]，通過 4×4 “H”形單元組成超表面，然后通過對稱的交叉孔徑饋電，僅激勵(lì)對稱電流對應(yīng)的模式，抑制其余模式，保證被激勵(lì)模式的相位差恒定用于圓極化輻射，天線具有38.8%的阻抗帶寬和14.3%的軸比帶寬;2021年Xi G基于特征模分析，在合適位置蝕刻十字縫隙饋電，激發(fā)相同諧振頻率下的兩個(gè)相位差90°的正交模式獲得圓極化，實(shí)現(xiàn)28.2%的阻抗帶寬和20.9%的3dB軸比帶寬，同時(shí)保持0.07λ0的低剖面特性[9]。

一、天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理

1.1天線結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的低剖面寬帶圓極化天線結(jié)構(gòu)如圖（1）所示，由饋源天線和超表面組成，從上至下三層金屬層分別是超表面、源天線和金屬地。源天線是在H1=1.5mm的Rogers 5880（εr=2.2，tanδ=0.0009）介質(zhì)板上印刷的邊長為Px的方形貼片，該貼片由改進(jìn)的Wilkinson功分器激勵(lì)，該功分器可以提供90°的相位差用于實(shí)現(xiàn)圓極化，并且能增強(qiáng)天線的工作帶寬。超表面由加載箭頭結(jié)構(gòu)的4×4方環(huán)形單元組成，能夠增強(qiáng)帶寬和增益。超表面印刷在最上層H2=1mm的FR-4（εr=4.3，tanδ=0.02）板子上?？諝飧叨菻3=3.5mm，兩層介質(zhì)板設(shè)計(jì)成同樣的大小便于組裝。天線的整體大小為120 mm ×120 mm ×6 mm。

1.2饋電網(wǎng)絡(luò)及源天線設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)矩形貼片天線是線極化輻射，要想產(chǎn)生圓極化的一種簡單方法是截角。通過調(diào)整貼片截角的參數(shù)可以調(diào)整兩個(gè)正交模式的相位和幅度值實(shí)現(xiàn)圓極化。但是這種截角實(shí)現(xiàn)的圓極化天線的阻抗帶寬和軸比帶寬都很窄。另一種實(shí)現(xiàn)圓極化輻射的方法是在方形貼片的相鄰兩條邊激勵(lì)起兩個(gè)正交模式，使兩個(gè)模式的幅度相等、相位差90°，這種結(jié)構(gòu)簡單，阻抗帶寬和軸比帶寬相對較大。因此本文選用后者來設(shè)計(jì)圓極化天線。方形貼片設(shè)計(jì)初始值確定：

改進(jìn)的Wilkinson功分饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)如圖2所示，該功分器能實(shí)現(xiàn)等幅同相激勵(lì)，其中使饋線路徑差1/4波長來提供額外的90°相位差，同時(shí)加載100Ω的電阻增強(qiáng)輸出端口的隔離度，也能吸收不平衡的反射。饋電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：L1=10 mm，L2=13 mm，L3=9 mm，L4=5 mm，W1=4.6 mm，W2=2.7 mm，X1=12 mm，Y1=15 mm。該饋電網(wǎng)絡(luò)在1.8-3.2 GHz內(nèi)的反射系數(shù)優(yōu)于-15dB;傳輸系數(shù)均在-3dB左右，傳輸損耗小，輸出幅度近似相等;|S23|小于-15dB，隔離度很好。另外，輸出端口的相位差在中心頻率2.4GHz附近為90°，可以用于實(shí)現(xiàn)寬帶圓極化。圖3為源天線在2.4GHz時(shí)的表面電流分布，表面電流沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，天線是右旋圓極化天線。

1.3超表面設(shè)計(jì)

本文中超表面在常規(guī)方環(huán)形超表面基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了帶有箭頭得結(jié)構(gòu)，用于改善等效電路中的電容值。該超表面由4×4單元構(gòu)成（如圖4所示），其中單元周期是P，單元間距是g，方環(huán)的寬度是w。

1.4超表面天線的仿真結(jié)果

圖5給出了加載了超表面的天線的仿真結(jié)果。從圖5（a）可看出該天線具有較寬的阻抗帶寬（36.7%）和軸比帶寬（26.1%）。加載超表面不僅增加了帶寬，還有效提高了天線的增益，圖5（b）給出了加載和不加載超表面的天線增益，不加載超表面的天線峰值增益僅為4 dBi，而加載超表面的天線峰值增益提高至10dBi。

二、加工與實(shí)測結(jié)果

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，制作并測試了低剖面超表面寬帶圓極化天線。圖6是天線加工圖，最上層的4×4超表面單元印刷在1mm厚的FR-4基板上，中間空氣高度3.5mm，下方1.5mm厚的Rogers板材，總厚度6mm。饋源貼片和饋電網(wǎng)絡(luò)印刷在下層板，使用尼龍螺絲和墊片固定基板和天線結(jié)構(gòu)。

圖7給出了仿真和測試結(jié)果的對比。在2.0 GHz到2.9 GHz（36.7%）頻段內(nèi)可實(shí)現(xiàn)|S11|低于-10 dB，在2.0-2.6GHz（26%）頻段內(nèi)軸比小于3dB，實(shí)測增益穩(wěn)定。測量結(jié)果與仿真吻合良好，較小的頻率偏移主要由加工誤差，如墊片厚度和尼龍螺絲等使得上下層板之間的小偏移、同軸電纜的損耗等。

圖8給出了天線在2.2 GHz和2.6GHz處的仿真和測量的輻射方向圖。測量和仿真結(jié)果吻合良好。結(jié)果表明天線在邊射方向上的交叉極化（左旋圓極化）抑制均好于-20dB，由于使用同軸饋電而非縫隙饋電，背面輻射很低（小于-20dB）。表1是本文設(shè)計(jì)的天線與其他圓極化天線對比。與本文所設(shè)計(jì)的天線相比，文獻(xiàn)[4， 5， 8]中天線背面輻射較高，前后比指標(biāo)較差;文獻(xiàn)[6]中的天線剖面較高;文獻(xiàn)[7-9]中的3dB軸比帶寬較窄，圓極化工作頻帶不夠。綜合而言，本文設(shè)計(jì)的圓極化天線具有低剖面、寬帶、增益高和前后比良好的整體性能。

三、結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一款基于超表面的低剖面寬帶圓極化天線。天線由改進(jìn)的Wilkinson功分器饋電實(shí)現(xiàn)寬帶圓極化，然后在方環(huán)形單元上加載箭頭結(jié)構(gòu)來增加額外的等效電容，進(jìn)一步改善了天線帶寬和增益性能。仿真和測試結(jié)果表明，天線的|S11|<-10dB帶寬為36.7%（2.0 GHz -2.9 GHz），3dB軸比帶寬為26.1%（2.0 GHz -2.6 GHz），保持穩(wěn)定右旋圓極化輻射，峰值增益8dBic，整體天線厚度僅6mm（0.05λ0）。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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