基于超表面的極化可重構(gòu)天線設計

袁一杰 ,孫學宏

(1.寧夏大學 物理與電子電氣工程學院,寧夏 銀川 750021;2.寧夏大學 信息工程學院,寧夏 銀川 750021;3.寧夏沙漠信息智能感知重點實驗室,寧夏 銀川 750021)

可重構(gòu)天線[1-2]可以將多個天線或多種功能集成于一個天線,極大地提升了天線的性能?？芍貥?gòu)天線按照功能可分為極化可重構(gòu)、頻率可重構(gòu)和方向圖可重構(gòu)天線等,對于極化可重構(gòu)天線[3-5],在保證工作頻率和輻射方向圖不變的前提下,改變自身的極化特性,并且能夠完成圓極化和線極化間的切換。

超材料[6-7]是一類超越天然材料、具有超常物理特性的人工復合材料,一般是由相同或相似的金屬按照周期性或非周期性排列的單元結(jié)構(gòu)。根據(jù)需求,可以設計出負介電常數(shù)和負磁導率等特殊的電磁特性。超表面[8-10]是二維結(jié)構(gòu)的超材料,在FSS 頻率選擇表面和RCS 縮減等方面[11-12]已經(jīng)取得許多突破性的研究進展,是天線領(lǐng)域中越來越熱門的研究方向。Zhu等[13]提出了一種低剖面的極化可重構(gòu)超表面天線,通過對8 個PIN 二極管開關(guān)的控制,實現(xiàn)天線的極化可重構(gòu)功能,軸比帶寬達到8.3%。張永亮等[14]設計了一種對角型的超表面縫隙天線,通過機械的方式來實現(xiàn)天線的圓極化可重構(gòu),軸比帶寬達到11.4%。劉雙兵等[15]設計了一種基于超表面的雙頻雙圓極化天線,利用微帶線和縫隙耦合的方式進行饋電,分別在6.24～6.58 GHz 和5.02～5.38 GHz 內(nèi)產(chǎn)生水平極化和垂直極化,最終轉(zhuǎn)換為左旋和右旋圓極化,軸比帶寬分別達到15.2%和12.9%。Ni 等[16]提出了一種基于超表面的頻率-極化可重構(gòu)天線,采用雙縫隙天線結(jié)構(gòu),通過改變超表面和縫隙天線的位置,實現(xiàn)線極化和圓極化的可重構(gòu),最大增益達到16.5 dBi。Hu 等[17]設計了一種4×4 低剖面超表面天線,通過改變饋電方式,可以在5.6 GHz 實現(xiàn)線極化和圓極化的可重構(gòu)功能,最大增益分別為9.39 dBi 和9.85 dBi。

基于對上述文獻的分析和研究[13-17],為解決極化失配的問題,提高天線的圓極化軸比和輻射增益等性能,本文設計了一種基于超表面的極化可重構(gòu)天線。對設計的超表面天線采用機械方式旋轉(zhuǎn),無需電控方式,可以避免PIN 二極管、MEMS 開關(guān)等電子元器件對天線性能的影響。對設計的超表面天線進行加工和測試,然后通過對仿真和實測結(jié)果的研究,分析超表面天線的反射系數(shù)、軸比、輻射效率和輻射增益等天線性能,證明了超表面天線的極化可重構(gòu)功能。

1 超表面天線的設計

圖1 所示為超表面天線的結(jié)構(gòu)圖,由上層結(jié)構(gòu)的圓弧切角矩形單元和下層結(jié)構(gòu)的微帶縫隙天線組成。因為設計的超表面天線需要進行機械旋轉(zhuǎn)的操作,所以將超表面天線的整體結(jié)構(gòu)設計為圓形形狀。超表面天線的兩個介質(zhì)層基板均采用半徑為39 mm、厚度為1.524 mm 和介電常數(shù)為3.48 的Rogers 4350B,其中上層結(jié)構(gòu)的介質(zhì)層基板背面和下層結(jié)構(gòu)的微帶縫隙天線直接接觸,采用同軸線饋電方式[13]。

圖1 超表面天線的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of metasurface antenna

2 等效電路原理

如圖2 所示為圓弧切角矩形單元結(jié)構(gòu)。圖2 中,將電場矢量E分解為兩個不同的正交向量E1和E2,當超表面天線的圓弧切角矩形單元置于微帶縫隙天線的上層時,為左旋圓極化(LHCP)狀態(tài)。如圖3 所示,為矩形單元結(jié)構(gòu)的等效電路圖。當矩形單元結(jié)構(gòu)沒有圓弧切角時,結(jié)構(gòu)是對稱性的,所以正交向量E1和E2是大小相等的,可以用等效電路RLC來表示。

圖2 圓弧切角矩形單元結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of circular tangent angle rectangular unit

圖3 中等效電路的表達式為:

圖3 等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit diagram

式中:Z代表阻抗;L代表電感;C代表兩個相鄰矩形單元結(jié)構(gòu)中縫隙產(chǎn)生的電容。

當矩形單元結(jié)構(gòu)有圓弧切角時,由于圓弧切角矩形單元結(jié)構(gòu)是不對稱的,所以E1和E2的阻抗分別為兩個大小不相等的Z1和Z2,其表達式為:

圓弧切角會改變兩個相鄰矩形單元結(jié)構(gòu)的縫隙距離,公式(2)和(3)中,假設X′1變大時,會使Z2的阻抗大于Z1的阻抗,故可以通過改變圓弧切角的尺寸來改變Z1和Z2間的相位差。當θ沿順時針方向旋轉(zhuǎn)90°時,X′2變大,會使Z1的阻抗大于Z2的阻抗,表示滯后的角度為90°,超表面天線輻射的電磁波會從左旋圓極化波切換為右旋圓極化波。當θ沿順時針方向旋轉(zhuǎn)45°或者135°時,因為X′1和X′2不變,所以和有相同的幅度和相位,超表面天線輻射的電磁波為線極化波。

超表面天線的旋轉(zhuǎn)角度在0°到180°范圍內(nèi),當旋轉(zhuǎn)角度θ=0°時,為左旋圓極化狀態(tài);當旋轉(zhuǎn)角度θ=90°時,為右旋圓極化狀態(tài)(RHCP);當旋轉(zhuǎn)角度θ=45°或θ=135°時,為線極化狀態(tài)(LP)。

3 優(yōu)化設計

使用仿真軟件ANSYS HFSS 對超表面天線的圓弧切角矩形單元的相關(guān)參數(shù)進行優(yōu)化和分析,其中包括:圓弧切角矩形單元的邊長a、圓弧切角b和單元間距c。因為左旋圓極化和右旋圓極化互為鏡像狀態(tài),所以只對左旋圓極化狀態(tài)進行參數(shù)分析。當θ=0°時,為左旋圓極化狀態(tài),分析改變參數(shù)對反射系數(shù)和軸比的影響,其中軸比是衡量超表面天線圓極化特性的重要因素,將軸比是否小于3 dB 作為衡量標準,然后確定圓弧切角矩形單元結(jié)構(gòu)的最優(yōu)尺寸參數(shù)。

圖4 中,改變參數(shù)a會對中心頻率點、阻抗帶寬和軸比帶寬產(chǎn)生較大影響,當參數(shù)a=17 mm 時,阻抗帶寬和軸比帶寬均較窄,而當參數(shù)a=21 mm 時,雖然阻抗帶寬較寬,但是軸比特性卻特別差;當參數(shù)a=19 mm 時,阻抗帶寬和軸比帶寬均為最優(yōu)。通過對比,將參數(shù)a=19 mm 作為圓弧切角矩形單元的邊長尺寸。

圖4 參數(shù)a 對反射系數(shù)和軸比的影響Fig.4 Effect of parameter a on reflection coefficient and axial ratio

圖5 中,改變參數(shù)b會對軸比帶寬產(chǎn)生較大影響,而中心頻率點和阻抗帶寬基本不變。當參數(shù)b=7 mm和b=9 mm 時,阻抗帶寬基本相同,而軸比帶寬卻逐漸向下移動,其中b=7 mm 的軸比帶寬最差。當參數(shù)b=8 mm 時,阻抗帶寬和軸比帶寬均為最優(yōu)。通過對比,將參數(shù)b=8 mm 作為圓弧切角矩形單元的圓弧切角尺寸。

圖5 參數(shù)b 對反射系數(shù)和軸比的影響Fig.5 Effect of parameter b on reflection coefficient and axial ratio

圖6 中,改變參數(shù)c會對中心頻率點、阻抗帶寬和軸比帶寬產(chǎn)生較大影響,當c=0.5 mm 時,阻抗帶寬為最寬,不過中心頻率點卻發(fā)生較大偏移;而當c=1.5 mm 時,軸比帶寬相對較寬,但是阻抗帶寬卻較窄;對比c=1.0 mm 時,中心頻率不僅沒有發(fā)生較大偏移,而且軸比帶寬也相對較寬。通過對比,將參數(shù)c=1.0 mm作為圓弧切角矩形單元結(jié)構(gòu)中單元間距的尺寸。

圖6 參數(shù)c 對反射系數(shù)和軸比的影響Fig.6 Effect of parameter c on reflection coefficient and axial ratio

4 仿真和實測結(jié)果

如圖7 所示,為超表面天線的實物圖。通過對超表面天線結(jié)構(gòu)中圓弧切角矩形單元的相關(guān)參數(shù)進行分析和優(yōu)化,確定圓弧切角矩形單元的尺寸參數(shù)為:a=19 mm,b=8 mm 和c=1 mm。對超表面天線在左旋圓極化、右旋圓極化和線極化狀態(tài)下的反射系數(shù)、軸比、輻射效率和輻射增益的仿真和實測結(jié)果進行對比和分析。如圖8 所示,為超表面天線實測圖。圖8(a)是超表面天線與矢量分析儀的實測圖;圖8(b)是超表面天線置于微波暗室的實測圖,通過將超表面天線和矢量網(wǎng)絡分析儀分別置于微波暗室中,對超表面天線進行實物測試。如表1 所示,為超表面天線的尺寸參數(shù)。

表1 超表面天線的尺寸Tab.1 Dimension of metasurface antenna mm

圖7 超表面天線實物圖Fig.7 Metasurface antenna object

圖8 超表面天線實測圖Fig.8 Metasurface antenna measurement

4.1 反射系數(shù)

如圖9 所示,為不同旋轉(zhuǎn)角度時,天線反射系數(shù)的仿真和實測結(jié)果對比。如圖9(a),當旋轉(zhuǎn)角度θ=0°時,左旋圓極化的阻抗帶寬仿真和實測結(jié)果分別為2.98～4.10 GHz 和3.07～3.99 GHz,實測中曲線向右小幅度偏移。如圖9(b),當旋轉(zhuǎn)角度θ=45°時,線極化的阻抗帶寬仿真和實測結(jié)果分別為3.23～4.05 GHz 和3.39～4.04 GHz,兩曲線趨于近似。如圖9(c),當旋轉(zhuǎn)角度θ=90°時,右旋圓極化的阻抗帶寬仿真和實測結(jié)果分別為2.98～4.11 GHz 和2.89～3.88 GHz,實測中曲線向左略微偏移,整體趨勢相似。如圖9(d),當旋轉(zhuǎn)角度θ=135°時,線極化的阻抗帶寬仿真和實測結(jié)果分別為2.87～3.78 GHz 和2.69～3.63 GHz,實測中曲線向左有小幅度偏移。當θ=0°和θ=90°時,為左旋圓極化和右旋圓極化,由于超表面天線結(jié)構(gòu)的對稱性,所以兩種圓極化互為鏡像狀態(tài);當θ=45°和θ=135°時,為線極化。綜上,超表面天線中反射系數(shù)的仿真結(jié)果與實測結(jié)果對比,產(chǎn)生了小幅度偏移,但曲線整體趨勢近似。

圖9 反射系數(shù)的仿真和實測結(jié)果對比Fig.9 Comparison of simulation and measurement results of reflection coefficient

4.2 軸比

圖10 為LHCP 和RHCP 軸比的仿真和實測結(jié)果對比。如圖10(a),當θ=0°時,左旋圓極化的仿真和實測結(jié)果中軸比帶寬分別為3.21～3.64 GHz 和3.34～3.70 GHz。實測中,軸比帶寬產(chǎn)生約0.07 GHz 小幅度縮減,曲線向右偏移。如圖10(b),當θ=90°時,右旋圓極化的仿真和實測結(jié)果中軸比帶寬分別為3.20～3.64 GHz 和3.12～3.56 GHz。實測中,軸比帶寬近似,曲線向左偏移。由于加工工藝和實測過程等原因,造成實測結(jié)果中左旋圓極化的軸比帶寬產(chǎn)生約0.07 GHz 小幅度縮減,左旋圓極化和右旋圓極化均有小幅度偏移,設計的超表面天線可以實現(xiàn)極化可重構(gòu)功能。

圖10 LHCP 和RHCP 軸比的仿真和實測結(jié)果對比Fig.10 Comparison of simulation and measurement results of axial ratio of LHCP and RHCP

4.3 輻射效率

圖11 為圓極化和線極化輻射效率的仿真結(jié)果。圖11(a)中,左旋圓極化和右旋圓極化中輻射效率的幅度變化較小;圖11(b)中,兩種線極化中輻射效率的幅度變化趨勢相近。左旋圓極化、右旋圓極化和線極化的輻射效率均大于82%。

圖11 圓極化和線極化輻射效率的仿真結(jié)果圖Fig.11 Simulation results of circular polarization and linear polarization radiation efficiency

4.4 輻射增益

圖12 為圓極化和線極化輻射增益的仿真結(jié)果。如圖12(a),當θ=0°時,左旋圓極化的E 面和H 面輻射增益均大于6.8 dB。如圖12(b),當θ=45°時,線極化的E 面和H 面輻射增益均大于7.8 dB。如圖12(c),當θ=90°時,右旋圓極化的E 面和H 面輻射增益也均大于6.8 dB。如圖12(d),當θ=135°時,線極化的E 面和H 面輻射增益均大于5.4 dB。左旋和右旋圓極化的輻射增益均大于6.8 dB,線極化的輻射增益分別大于7.8 dB 和5.4 dB,超表面天線的輻射增益整體較好。

圖12 圓極化和線極化輻射增益的仿真結(jié)果Fig.12 Simulation results of circular polarization and linear polarization radiation gain

表2 為超表面天線的仿真和實測結(jié)果對比。本文設計的超表面天線通過機械方式旋轉(zhuǎn),可以在3.20～3.64 GHz 內(nèi)實現(xiàn)左旋圓極化、右旋圓極化和線極化,可以相互轉(zhuǎn)換,且阻抗帶寬、軸比帶寬、輻射效率和輻射增益等性能均符合設計要求。不過由于加工工藝和實測過程等原因,仿真和實測結(jié)果存在一定的誤差,但基本趨勢是比較吻合的。

表2 超表面天線的仿真和實測結(jié)果對比Tab.2 Comparison of simulation and measurement results of metasurface antenna

5 結(jié)論

本文設計了一種基于超表面的極化可重構(gòu)天線,通過機械的方式旋轉(zhuǎn)上層結(jié)構(gòu)的圓弧切角矩形單元,在0°～180°內(nèi)有三種不同的極化狀態(tài),分別為左旋圓極化、右旋圓極化和線極化,且極化狀態(tài)能夠在3.20～3.64 GHz 內(nèi)相互轉(zhuǎn)換。通過仿真和實測結(jié)果對比,證明了所設計的超表面天線在左旋圓極化和右旋圓極化狀態(tài)下,阻抗帶寬為2.98～4.10 GHz,相對帶寬達31.6%,輻射增益均大于6.8 dBi;在線極化狀態(tài)下,相對帶寬達17%,輻射增益均大于5.4 dB,其中圓極化和線極化的輻射效率也較高,約為82%。綜上所述,所設計的超表面天線具有極化可重構(gòu)功能,且天線性能較好,符合設計要求。