超材料在S波段天線陣中的應用

郭鋒 徐永杰

（廣州海格通信集團股份有限公司廣州510663）

超材料在S波段天線陣中的應用

郭鋒 徐永杰

（廣州海格通信集團股份有限公司廣州510663）

提出一種新型的超材料結構作為介質覆蓋層，將其應用于圓極化微帶天線中，提高了天線的增益和帶寬。基于復合右/左手傳輸線（Composite Right/Left Handed Transmission Line，CRLH TL）的超材料結構，設計了一款正交饋電網絡，與傳統的饋電網絡相比，插損更低、尺寸更小?；谝陨显O計，制作了2×2元天線陣實物，實測VSWR≤1.5的相對阻抗帶寬為37.1%，最大增益為15.6dB。

超材料；圓極化；饋電網絡；天線陣

Class NumberTN965·2

1 引言

為了適應S波段通信終端的發展，天線的設計要同時兼顧多種性能指標，如小型化、高增益、寬頻帶、高隔離度等，傳統的天線設計手段越來越無法滿足系統的需求。“超材料”是一種人工合成材料，通過對一些周期結構材料進行尺寸和形狀的合理有序的設計，使這些材料獲得自然界常規材料所沒有的新特性［1］。超材料的提出為天線設計打開了一扇嶄新的大門，很多傳統天線設計手段無法解決的難題，通過超材料可以很好地得到解決，因此近年來得到了蓬勃發展，許多具有新穎結構和獨特特點的天線應運而生。

微帶圓極化天線具有體積小、重量輕、剖面低、易共形、饋電方式多樣化等諸多優點，在通信終端領域備受親睞［2～3］。但微帶天線屬于諧振天線，帶寬很窄，損耗較大、增益較低。針對微帶天線的這些不足之處，自從2000年以后，科研工作者將超材料結構應用微帶圓極化天線中，用以改進和優化微帶圓極化天線的性能。文獻［4～5］利用螺旋狀超材料結構取代天線的介質基板，這不僅使天線的尺寸、質量得到減小，同時還省去了介質基板的成本；文獻［6］設計了超材料的補償結構并加載在介質板內部，通過調整補償結構在介質基板中的位置，可以對天線的性能進行優化和改進。上述文獻提出的超材料結構加工相對復雜，仿真時需要考慮優化的參數較多，同時面臨著加工工藝的挑戰。如何利用相對簡單的超材料結構來高效地拓展圓極化微帶天線的帶寬和提高微帶圓極化天線的增益，這是一個嚴峻的挑戰。為了滿足S波段通信終端的苛刻要求，本文提出一種在微帶圓極化天線上方加載的新型超

材料結構，既提高了天線的增益，又拓展了天線的帶寬，同時利用復合右/左手傳輸線的超材料結構，設計了一款小型化正交饋電網絡，基于以上設計，制作了2×2元天線陣實物。實測和仿真結果吻合較好，從而驗證了該超材料結構的正確性和實用性。

2 天線單元設計

2.1 超材料結構單元的設計

在微帶圓極化天線的上方加載超材料結構可以改善天線的帶寬和增益［7］，這種方法的原理是根據雙負超材料結構材料所具有的特殊電磁效應，能有效調控天線貼片附近的表面波，因為超材料結構具有聚焦特性，天線表面激勵的電磁波就可以被有效的匯聚，進而更有效地改善天線的帶寬和增益。

圖1 為提出的新型超材料結構單元模型，將銅片印制在介質基板上下表面，在結構單元的外面建立空氣盒子，空氣盒子的兩側分別設置為理想磁壁和理想電壁。電磁波沿著Z方向入射，磁場沿著X方向，電場沿著Y方向。對均勻平面電磁波沿Z方向照射中的超材料的反射系數Sll和透射系數S21進行仿真，進而得到反射曲線以及透射曲線，如圖3所示。由圖3中可以看出在1.6GHz～2.35GHz頻率范圍內反射系數小于-10dB，利用此超材料結構在工作頻段的電磁效應，沿著基底傳播的表面波可以得到很好的調控，天線福射到空間的電磁波的強度會有所增強，天線的帶寬和增益進而得到改善。

2.2 天線單元的設計

圖3為天線單元的結構示意圖。天線單元由三層介質疊層而成。上層為超材料結構單元覆蓋層，中間為圓形輻射貼片層，兩層中間引入空氣層，下層為饋電網絡層，上層基板采用介電常數為3.55的介質材料，中間和下層基板采用介電常數為2.55的介質材料。

天線采用探針饋電結構，貼片中的兩個點為饋電點，采用寬帶90°耦合器網絡獲得兩個相位依次為0°、90°的等幅激勵，寬帶90°饋電網絡輸出端接有兩個相互垂直的探針給天線饋電，最終獲得圓極化輻射。圓形貼片尺寸計算根據下面公式［8］：

其中χ′11=1.841，c為自由空間光速，a是計邊緣效應后的等效半徑，a′為物理半徑。接地板尺寸受饋電網絡尺寸的限制，選擇72mm×72mm。為了增加波束寬度，將天線介質襯底延伸，超出接地板適當距離，這里選擇80mm×80mm。各參數尺寸見表1所示。

表1 各參數尺寸（mm）

2.3 天線單元的仿真結果

對覆蓋新型超材料結構的天線單元和未覆蓋新型超材料結構的天線單元進行仿真，得到天線的反射系數和天線的增益，分別如圖4、圖5所示。

由圖4和圖5可以看出，覆蓋超材料的天線單元帶寬和增益指標明顯優于沒有覆蓋超材料的天線單元。因此，覆蓋超材料的天線單元可以作為天線組陣的單元。

3 正交饋電網絡的設計

3.1 正交饋電網絡結構

復合右/左手傳輸線（Composite Right/Left Handed Transmission Line，CRLH TL）是超材料的傳輸線實現形式［9～10］，它具有的相位補償、非線性相位響應和零階諧振等特性，被廣泛應用于微波無源器件的設計中［11］。

由于存在寄生效應，超材料的左手傳輸線只是一種理想的情況，它與右手傳輸線一起構成了復合右/左手傳輸線。當電磁波在右手傳輸線中傳播時，相速度與群速度方向相同，表現為相位滯后，具有負的相移；而左手傳輸線在正的群速度方向相位超前，具有正的相移。因此，將右手傳輸線和左手傳輸線級聯起來形成的CRLH傳輸線在一定頻率范圍內可實現正、負或者零度相位。圖6給出了一種CRLH傳輸線的實際電路結構單元模型，其中，C是加載串聯電容值，L是加載并聯電感值，Z0為微帶線的特性阻抗，d為加載電容之間微帶線的長度。

只要調節L和C，就可以可調節電路的相位。這就是相位補償原理。雙饋點圓極化天線需要正交饋電，可采用圖6所示的電路結構模型來實現相移。

設計的饋電網絡結構如圖7所示，它由三個Wilkingson功分器、若干組CRLH-TL單元及傳統的微帶移相線組成。由于Wilkingson功分器結構簡單，且具有較好的隔離特性，能夠避免四個端口的信號相互耦合，影響天線性能，其中隔離電阻R= 100Ω。信號由端口P1輸入，第一個Wilkingson功分器將信號分為兩路等幅同相信號，這兩路信號分別經過一組CRLH-TL和傳統微帶移相線后形成+45°和-45°的相移，從而實現了90°相位差。同理，分別再對這兩路等幅正交的信號重復這一功分移相過程，即可實現四個端口的正交饋電。

3.2 正交饋電網絡的仿真與實測結果

運用電磁仿真軟件ADS2011搭建原理圖并進行仿真，仿真結果如圖8、圖9所示。

圖8 給出了輸入端口的反射系數曲線和任意兩輸出端口的反射系數曲線、傳輸系數曲線。圖中可以看出，各端口的反射特性較好，在圖中全頻段范圍內，反射系數都小于-15dB，而兩傳輸系數曲線基本重合，圖中給出了中心頻率1.97GHz處，某一端口的傳輸系數為-6.038dB。±10o的相位差頻率范圍為1.66GHz～2.28GHz。圖9則是輸出端口對應的相位響應曲線，曲線顯示任意兩端口的相位相差90°，為正交端口。

對仿真結果進行優化，并制作了正交饋電網絡實物如圖10所示。圖11給出了P1、P2、P3端口的反射系數實測曲線和2、3端口的傳輸系數實測曲線；圖12給出了P2、P3端口的相位實測曲線。測試結果表明：在1.8GHz～2.3GHz頻率范圍內，三個端口的反射系數均小于-15dB，插入損耗最大為0.44dB，±10°的相位差頻率范圍為1.75GHz～2.27GHz。測試與仿真結果基本吻合，相位差帶寬略微收窄是由于集總元件取值不連續造成的。

4 天線陣的設計

4.1 連續旋轉饋電組陣

利用基于復合右/左手傳輸線的超材料結構設計的正交饋電網絡，P1、P2、P3、P4四個端口信號幅度相等、相位依次為0°、90°、180°、270°，四個端口分別對接對天線單元進行饋電的寬帶90°耦合器網絡，從而組成了2×2元天線陣的饋電網絡。運用連續旋轉組陣法，依次對天線單元旋轉90°進行組陣，改善天線陣列的圓極化性能，增加軸比帶寬，減小交叉極化電平。因此，利用四個圓極化輻射元組合再次形成圓極化陣列，不僅能在原有寬帶圓極化單元的基礎上獲得更寬的圓極化帶寬，更有利于其在平面陣列中的集成應用。

4.2 天線陣的仿真與實測結果

基于以上設計，對該天線陣進行了電磁仿真和參數優化，得到陣列天線的VSWR、增益和軸比特性曲線。并根據優化參數制作了陣列天線實物，如圖13所示。在微波暗室對天線陣實物進行了測試，圖14給出了駐波比實測與仿真結果，實測在1.58GHz～2.30GHz頻率范圍內VSWR≤1.5，相對阻抗帶寬約為37.1%，實測結果與仿真結果吻合較好；圖15給出了天線陣增益實測與仿真結果，實測最大增益為15.6dB，比仿真時的最大增益低1.5 dB，實測的增益曲線趨勢與仿真的增益曲線趨勢一致；圖16給出了天線陣在1.8GHz～2.2GHz時的軸比實測與仿真結果，在此頻段內，軸比均小于3 dB，實測與仿真的趨勢一致。陣列天線實測和仿真結果趨勢一致，從而驗證了該超材料結構設計方法的正確性和實用性。

5 結語

基于S波段通信終端的迫切需求，設計了一種新型的超材料結構作為天線的介質覆蓋層，提高了天線的增益和帶寬；基于復合右/左手傳輸線的超材料結構，設計了應用于圓極化天線陣的正交饋電網絡，實現了任意輸出端口的相位正交。基于以上設計，制作了2×2元天線陣實物，實測結果與仿真結果吻合較好。該天線陣結構簡單、易于加工、成本低廉，可滿足S波段通信終端設備的寬帶、高增益和集成化應用。

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Application of Metamaterial in S Band Antenna Array

GUO FengXU Yongjie
（Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company，Guangzhou510663）

metamaterial，circular polarization，feeding，array antenna

TN965·2

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.06.013

2016年12月5日，

2017年1月27日

郭鋒，女，碩士，工程師，研究方向：天線理論與技術、微波電路與系統等。徐永杰，男，碩士，工程師，研究方

向：天線理論與技術、微波電路與系統等。

Abstrate In this paper，a wideband and high gain circular-polarized microstrip antenna of four-element array at S-band is described，which is based on metamaterial as the substrate coating and the quadrature phase feeding structure.The feeding based on the Composite Right/Left Handed Transmission Line compared with the original feeding，the size and insertion loss are decreased.A 2×2-element microstrip array is developed based on element and feeding，the measured results show that the relative impedance bandwidths can reach 37.1%whichVSWR≤1.5 is obtained，the maximum gain is about 15.6dB，The measured results are good agreement with the simulated results.