小型超表面圓極化天線設計

馬學禮，馮全源

(西南交通大學 信息科學與技術學院，四川 成都 610031)

小型超表面圓極化天線設計

馬學禮，馮全源

(西南交通大學 信息科學與技術學院，四川 成都 610031)

針對普通圓極化天線設計過程復雜和面積過大的缺點，設計了一款小型化的圓極化縫隙天線，通過加載超表面來實現小型化和圓極化。該超表面天線可以把2個垂直線極化波合成為1個圓極化波，采用不規則的斜十字結構，尺寸僅為25 mm×25 mm×4 mm，就可以在5.74～5.87 GHz范圍內實現軸比小于3 dB。該天線結構簡單、抗干擾能力強、輻射特性優異，適用于5.8 GHz的閱讀器天線和ETC電子不停車收費。

圓極化；超表面；小型化；可加載

Abstract To address the complexity issue of circularly polarized antenna,a compact circularly polarized slot antenna is designed with a loadable meta-surface used to realize compactness and circular polarization.The antenna can transform two linearly polarized waves into a circularly polarized wave.The design uses an irregular cross structure,and the size of antenna is only 25 mm*25 mm*4 mm.The axial ratio can be less than 3 dB within 5.74～5.87 GHz.The antenna features simple structure,strong anti-interference capability and good radiation pattern,and it can be used for ETC electronic toll collection and 5.8 GHz reader antenna.

Key words circular polarization;meta-surface;compact;loadable

0 引言

隨著天線和射頻通信系統的發展，普通的線極化天線[1]已經不能滿足復雜的通信要求。在遠距離傳輸和抗干擾方面，圓極化天線[2]有顯著的優勢。圓極化天線可以接收所有線極化波，圓極化波也可以被所有線極化天線接收。很多特定要求的通訊系統中要用到圓極化天線[3]。

圓極化微帶天線的種類有單點饋電圓極化天線[4]、多點饋電圓極化天線[5]和阿基米德螺旋圓極化天線[6]。單點饋電圓極化天線[7]饋電結構簡單，但圓極化實現的結構和設計復雜，多點饋電圓極化天線[8]饋電網絡比較復雜，面積大，但較容易實現圓極化，軸比帶寬較寬。阿基米德螺旋圓極化天線[9]性能優異，交叉極化低，軸比帶寬也非常寬。超表面結構圓極化天線[10]是一種二維金屬表面加載在普通線極化天線上，可以控制電磁波的相位特性和極化特性[11]，可用于隱身飛機的表面蒙皮和雷達的表面罩，可以提高天線的方向性和抗干擾能力。文獻[12]提出了利用超表面合成圓極化波，本文重新設計了圓極化超表面，對超表面小型化設計，成功地利用超表面降低天線的軸比，實現了圓極化。

1 圓極化超表面基本理論

圓極化超表面屬于周期性結構[13]的一種，周期性結構分為貼片型和孔徑型2種結構，貼片型[14]在諧振頻率附近呈現全反射特性，孔徑型[15]在諧振頻率附近呈現全透射特性。周期性結構可以降低天線表面波，提高天線的增益和效率，減少方向圖上的波紋擾動。

圓極化波可表示為2個空間相互垂直，時間相位差90°，且振幅相等的線極化波之和，而圓極化超表面可以把橢圓極化波中分離出2個振幅相等，相位差90°的線極化波，然后在通過超表面后合成為圓極化波。圓極化超表面屬于孔徑型周期性結構，當電磁波通過超表面時，電磁波的相位會發生變化，金屬表面的縫隙等效于一個電容，短的金屬連接線等效于電阻，有一部分金屬等效于電感，這就是超表面的電路等效模型。它會阻擋一部分電磁波通過，改變一部分電磁波的相位，并最終在電磁波通過超表面后形成圓極化波。超表面還有亞波長和相位調制[16]的特性，能夠在很小的尺度范圍內實現電磁波極化狀態的調制。

2 圓極化天線結構

本文用到的縫隙天線如圖1所示，尺寸參數：a=25 mm,b=11.6 mm，c=13 mm,e=3 mm，設計在相對介電常數為4.4、損耗正切值為0.02、厚度為1 mm的FR4基板上。縫隙的寬為1 mm,縫隙的長度可以調節中心頻率，長度越長，中心頻率越低，長度變小，中心頻率變高。

圖1 5.8 GHz縫隙天線結構

(1)

Z1=R1+jX1，

(2)

Z2=R2+jX2。

(3)

圖2 圓極化超表面結構

圖3 圓極化超表面結構實物

圖4 5.8 GHz縫隙天線實物

3 仿真結果和分析

本文超表面和縫隙天線的仿真是在HFSS軟件下進行的。縫隙天線反射特性曲線如圖5所示，縫隙天線的工作頻率為5.68～6 GHz，中心頻率為5.8 GHz。參數b對縫隙天線S11的影響如圖6所示，縫隙的長度b的值改變，天線的頻率也會發生改變，縫隙長度變長，工作頻率變低。天線的工作頻率是縫隙的寬度和長度共同決定的。沒有加載超表面情況下的縫隙天線原始軸比如圖7所示，在5.8 GHz時的軸比為40 dB,遠大于3 dB，可認為線極化。

加載超表面后縫隙天線的軸比如圖8所示，在天線的背部加載圓極化超表面后，可以明顯的看出5.8 GHz時的軸比從原來的40 dB變為小于3 dB，其在5.74～5.87 GHz頻率范圍內都小于3 dB，最低達到0.6 dB。證實了本文超表面能減小軸比，實現圓極化的功能。超表面參數g對軸比的影響如圖9所示，圓極化超表面切角邊的長度g會影響到軸比的中心頻率，g的值變大，中心頻率也會變大，所以選擇g的值為5 mm,其中心頻率剛好為5.8 GHz處。圓極化天線的增益圖如圖10所示，5.8 GHz處XOZ面和XOY面方向圖如圖11所示，該天線的輻射方向垂直于天線表面，沿表面法線方向傳播。

圖5 縫隙天線反射特性曲線

圖6 參數b對反射系數的影響

圖7 縫隙天線的原始軸比

圖8 加載超表面后的軸比

圖9 參數g對軸比的影響

圖10 圓極化天線的增益

圖11 5.8 GHz處XOZ面和XOY面方向圖

5.8 GHz處XOZ面的軸比分布如圖12所示，通過該圖可以看出超表面對天線軸比的影響，θ角在170°～212°范圍內小于3 dB，在θ=194°時，軸比最低0.44 dB，也就是-z方向的42°角內滿足圓極化。

圖12 5.8 GHz處XOZ面的軸比

左旋和右旋圓極化的電場強度比較圖如圖13所示，可以一眼看出右旋圓極化的電場強度遠大于左旋圓極化，所以該天線為右旋圓極化天線。

圖13 左旋和右旋圓極化的電場強度

通過仿真和分析，縫隙天線的耦合縫隙長度b的值對天線反射系數S11有明顯影響。隨著b值的減小，中心頻率會向高頻移動，因此可以通過縫隙長度b的值來調節需要的中心頻率。超表面的切角邊長g的值會影響軸比的中心頻點，g的值增大，中心頻點向高頻移動，這是通過超表面的等效阻抗改變來實現的，因此可以調節g的值來獲得需要的軸比。

4 結束語

不同于普通圓極化天線的實現原理，本文在普通線極化天線的基礎上，通過加載超表面能改變天線極化狀態的原理，設計了一個圓極化超表面來降低天線的軸比，實現圓極化。一般的超表面都是由很多個單元周期性排列組成才能實現其性能，其面積很大，不適用于小型化的天線要求，本文的圓極化超表面面積很小，僅一個單元就實現了圓極化，適用于要求小型化的天線系統。本文天線結構簡單，抗干擾能力強，輻射特性優異，還可以在一定程度上屏蔽工作頻帶外的電磁干擾，可用于ETC電子不停車收費和5.8 GHz閱讀器天線。

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Compact Circularly Polarized Antenna with Meta-surface

MA Xue-li,FENG Quan-yuan

(CollegeofInformationScienceandTechnology,SouthwestJiaotongUniversity,ChengduSichuan610031,China)

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.08.11

馬學禮，馮全源.小型超表面圓極化天線設計[J].無線電工程,2017,47(8):44-47.[MA Xueli,FENG Quanyuan.Compact Circularly Polarized Antenna with Meta-surface[J].Radio Engineering,2017,47(8):44-47.]

2016-12-02

國家自然科學基金重點項目(61531016)；國家自然科學基金資助項目(61271090)；四川省科技支撐計劃基金資助項目(2015GZ0103)。

TN82

A

1003-3106(2017)08-0044-04

馬學禮 男，(1992—)，碩士研究生。主要研究方向：天線理論與設計。

馮全源 男，(1963—)，教授，博士生導師。主要研究方向：天線理論與設計、數字、模擬、射頻與混合信號集成電路設計等。