一種透射型線-圓極化轉換超表面設計

劉 雙 兵

（巢湖學院 機械與電子工程學院，安徽 合肥 238000）

研究與試制

一種透射型線-圓極化轉換超表面設計

劉 雙 兵

（巢湖學院 機械與電子工程學院，安徽 合肥 238000）

提出了一種單對角線開縫的方形單元構成的透射型極化旋轉超表面，并將其應用于寬帶圓極化微帶縫隙天線的設計中。采用等效電路法分析了超表面實現線-圓極化轉換的工作機制，并對天線圓極化帶寬的影響因素進行了參數掃描。仿真結果表明：加載超表面使線極化微帶縫隙天線產生了圓極化輻射，同時擴展了天線的阻抗帶寬。天線相對阻抗帶寬達到了33.2%，3 dB軸比帶寬達到了19.5%，在阻抗帶寬內天線增益均高于6.8 dBi，表明新型超表面結構具有良好的線-圓極化轉換特性。

極化轉換；超表面；寬帶；圓極化；微帶縫隙天線；軸比

超表面[1]（Metasurface）的概念自2011年被提出以來，因其具有異常反射和透射的新奇現象而備受關注。超表面是一種人工設計的亞波長厚度的金屬結構陣列，可以靈活調控反射或透射電磁波的幅度、相位和極化特性，在微波器件[2]、天線雷達散射截面（Radar Cross Section, RCS）縮減[3]和圓極化天線設計[4-8]等方面具有十分廣泛的應用前景。

實現天線由線極化向圓極化轉換的超表面結構有反射和透射兩種類型。文獻[4]設計出一種金屬斜線結構單元構成的反射型極化旋轉超表面，在8～12 GHz頻域內實現極化旋轉，實現了線極化微帶縫隙源天線的圓極化輻射。文獻[5]利用雙箭頭結構單元構成的反射型極化旋轉超表面作為反射板，設計了圓極化帶寬為2.4%的印刷偶極子天線。顯然，基于反射型超表面的圓極化天線的3 dB軸比帶寬通常較窄。文獻[6]設計了帶有單對角微帶線的矩形環結構單元構成的透射型超表面，實現了微帶貼片天線和微帶縫隙天線的線-圓極化轉換，天線圓極化帶寬為7.7%。文獻[7]和[8]均采用方形切角金屬單元構成的透射型超表面實現了微帶縫隙天線圓極化設計，圓極化帶寬分別達到了 20%和 7.2%。但文獻[6]和[7]中所設計圓極化天線的增益在軸比頻帶內的高頻端有所惡化，天線增益特性不夠穩定。文獻[9]和[10]分別提出一種方形和矩形金屬結構超表面，用于擴展天線的阻抗帶寬和圓極化帶寬，獲得了3 dB軸比帶寬分別為23.4%和16.5%的圓極化天線，但該類型超表面結構并不具備線-圓極化轉換特性。

基于以上研究，本文首次提出了一種由單對角線開縫的方形貼片單元構成的透射型極化轉換超表面，并將其加載于微帶縫隙天線的上方，實現了寬帶圓極化天線設計。采用等效電路法分析了超表面實現線-圓極化轉換的工作機制，并使用基于有限元方法的ANSYS HFSS 15.0高頻電磁仿真軟件對影響天線圓極化性能的超表面結構參數進行優化。通過對比加載超表面前后微帶縫隙天線的性能，結果表明：加載超表面使線極化微帶縫隙天線產生了圓極化輻射，擴展了天線的阻抗帶寬，使天線相對阻抗帶寬達到了33.2%（4.26～5.96 GHz），3dB軸比帶寬達到了19.5%（4.9～5.96 GHz），在阻抗帶寬內天線增益均高于6.8 dBi，證明了新型超表面結構具有良好的極化旋轉特性。

1 超表面設計

1.1 超表面結構

超表面結構如圖1所示，每個單元是一種單對角線開縫隙的方形金屬貼片。為了使線極化微帶縫隙源天線輻射出圓極化電磁波，構建了由16個單元按4×4陣列組合而成的超表面。所采用的介質板厚度 h=4 mm，相對介電常數 εr=4.1，損耗角正切tanδ=0.003。超表面方形單元邊長a=9 mm，對角線縫隙寬度g=1.2 mm，單元之間的間距d=1.2 mm。超表面尺寸為L×L=40 mm×40 mm。

圖1 超表面結構及工作機制示意圖Fig.1 Schematic diagram of metasurface

1.2 超表面的等效電路

采用等效電路法來闡釋所設計超表面將線極化轉換為圓極化的工作機制。當在超表面的下方放置線極化微帶縫隙天線時，超表面上產生如圖1所示的電場E，將其分解成兩個相互正交的分量E1和E2。當方形單元的對角沒有開縫隙時，E1分量的等效電路可看作是RLC串聯電路，其阻抗可表示為

式中：R和L分別是方形金屬單元的電阻和電感值；C是相鄰單元之間縫隙產生的電容值。由于結構的對稱性，E2分量具有相同的等效電路，其阻抗同樣滿足（1）式。在方形貼片單元右對角線開縫隙前后，可近似認為 E1等效電路的阻抗值沒有變化，但 E2等效電路的變化較大，開縫后兩者不再等效為相同的RLC電路。對角線開縫后，E2等效電路將增加對角線縫隙之間的并聯電容，其阻抗值為

通過調節對角線縫隙的寬度，使得超表面滿足|Z1|=|Z2|且Z1與Z2之間的相位相差90°，即可實現源天線的線-圓極化轉變。

2 極化旋轉特性驗證

2.1 加載超表面結構的縫隙天線

圖2 加載超表面的微帶縫隙天線結構圖Fig.2 Structure of microstrip slot antenna with metasurface

為了驗證新型超表面的線-圓極化轉換特性，將其放置在線極化微帶縫隙天線的上方，組合而成的圓極化天線結構如圖2所示。超表面的介質板與縫隙天線直接接觸，有效降低了天線的剖面高度。天線的下層是線極化微帶縫隙天線的介質板，厚度為h1=0.8 mm，相對介電常數為εr=3.5，損耗角正切為tanδ=0.003。其上表面是開有矩形耦合縫隙的導體接地板，縫隙長度ls=26 mm，寬度ws=3.2 mm。其下表面是饋電微帶線，饋線長度lc=28 mm，寬度wc=1.8 mm。天線整體尺寸為0.72 λ×0.72 λ×0.09 λ（λ為圓極化帶寬的中心頻率5.43 GHz對應的自由空間波長）。

2.2 超表面結構參數的優化

為實現基于單對角線開縫超表面結構天線的寬帶圓極化特性，需要對超表面的結構參數進行優化。通過調節超表面的介質基板的厚度h、方形貼片單元的邊長a、對角線縫隙寬度g、陣列間距d，有效擴展天線的阻抗帶寬和圓極化帶寬。超表面不同參數對天線軸比特性的影響規律如圖3所示。

圖3 超表面參數h、a、g、d對軸比特性的影響Fig.3 Axial ratios with different h, a, g, d parameters of metasurface

從圖3可以看出，加載超表面的微帶縫隙天線的軸比出現兩個極小值，分別在5.3 GHz和5.8 GHz附近。圖 3（a）表明：當超表面的介質基板厚度 h較小（h=3.5 mm）時，天線在高頻端的軸比性能非常好，軸比接近0.2 dB，但低頻端的軸比性能很差，天線軸比超過了3 dB；反之，當h較大（h=4.5 mm）時，低頻端的軸比性能較好，高頻端的軸比有所偏高；h取中間值時，天線將獲得最優化的軸比性能和軸比帶寬。圖3（b）顯示出超表面的方形金屬單元的邊長a改變時，主要影響天線在高頻端的軸比性能，低頻端的軸比基本保持不變，且隨著a的增大，軸比性能越來越好，但軸比帶寬略有減小。

圖3（c）說明：當超表面單元的對角線縫隙寬度g的取值較小（g=0.8 mm）時，天線的軸比出現了三個極小值，但在高頻端的軸比偏高；隨著g的增大，高頻端的軸比逐漸降低，而低頻端的軸比出現先下降后上升的趨勢。圖3（d）表明：隨著超表面的單元間距d的逐漸增大，天線的3 dB軸比帶寬基本保持不變，但頻率向高頻偏移，而高頻端的軸比性能逐步變差。

對以上參數的優化分析可知，改變超表面的幾何參數，超表面等效電路的等效阻抗相應發生變化，進而影響加載超表面的微帶縫隙天線的軸比特性。也就是說，通過調節超表面的結構參數可以獲得最優的天線軸比性能和軸比帶寬。

3 加載超表面前后天線性能對比

為了進一步了解超表面結構對天線性能的改善，將加載超表面前后微帶縫隙天線的性能進行對比，天線的回波損耗、軸比帶寬和增益性能的仿真結果分別如圖4、圖5和圖6所示。

從圖4可以看出，未加載超表面的微帶縫隙天線的諧振頻率為7.63 GHz，相對阻抗帶寬為10.7%；加載超表面后，天線的諧振頻率偏移至5.62 GHz，同時產生了新的諧振頻點4.5 GHz，且兩個諧振模式的頻率比較接近，使得天線的阻抗帶寬很寬，工作頻率范圍為 4.26～5.96 GHz，相對阻抗帶寬達到了33.2%，實現了天線的寬頻帶特性，超表面可以有效擴展天線的阻抗帶寬。

圖4 天線的回波損耗Fig.4 Return loss of the antenna

從圖5可以看出，加載超表面使線極化微帶縫隙天線輻射出圓極化波，3 dB軸比頻率范圍為4.9～5.96 GHz，相對軸比帶寬達到了19.5%，天線圓極化帶寬很寬，軸比性能良好，最小值達到了 0.2 dB。也就是說，所設計超表面具有線-圓極化轉換特性，可應用于寬帶圓極化天線設計。

圖5 天線的軸比帶寬Fig.5 Axial ratio bandwidth of the antenna

從圖6可以看出，加載超表面后微帶縫隙天線的增益略有增加，且在阻抗帶寬內天線增益均高于6.8 dBi，最大增益為7.8 dBi。也就是說，阻抗帶寬內天線增益波動范圍不超過1 dBi，具有良好的帶內增益穩定性，相比于文獻[7]中方形切角超表面在高頻端嚴重的增益惡化現象，本文所設計超表面具有更好的應用性。

4 結論

本文設計了一種新型超表面，其單元由單對角線開縫的方形金屬貼片構成。通過等效電路法的理論分析和軟件仿真分析，表明該超表面具有線-圓極化轉換特性。將其加載于線極化微帶縫隙天線的上方，實現了寬帶圓極化輻射特性，擴展了天線的阻抗帶寬。通過參數優化，使得天線相對阻抗帶寬達到了33.2%，3 dB軸比帶寬達到了19.5%，在阻抗帶寬內天線增益均高于6.8 dBi。覆蓋超表面的縫隙天線具有很寬的阻抗帶寬和軸比帶寬，且增益穩定性良好，所設計超表面可應用于寬頻圓極化天線設計。

圖6 天線增益Fig.6 Antenna gain

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（編輯：陳渝生）

Design of a transparent linear-to-circular polarization conversion metasurface

LIU Shuangbing
(School of Mechanical and Electric Engineering, Chaohu College, Hefei 238000, China)

A transparent polarization conversion metasurface was presented for designing of wide band circular polarized microstrip slot antenna. It was composed of square units with a single diagonal slot. The metasurface’s working mechanism of converting linear to circular polarization was analyzed by equivalent circuits, and the parameters of the metasurface were swept according to their influence on the 3 dB axial ratio bandwidth. Simulated results show that the linearly polarized microstrip slot antenna can radiate circularly polarized wave and its impedance bandwidth is broaden by loading the metasurface. The relative impedance bandwidth and 3 dB axial ratio bandwidth can reach 33.2% and 19.5%, respectively. The antenna gains are higher than 6.8 dBi within the impedance bandwidth. It is indicated that the new metasurface has good linear-to-circular polarization conversion characteristics.

polarization conversion; metasurface; wide band; circularly polarized; microstrip slot antenna; axial ratio

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.09.004

TB34；TN821+.1

A

1001-2028（2017）09-0018-04

2017-08-01

安徽省高校優秀青年人才支持計劃重點項目（No. gxyqZD2016291）

劉雙兵（1982－），男，安徽宿松人，講師，碩士，主要從事天線研究工作，E-mail: liushb@shu.edu.cn 。

時間：2017-08-28 11:08

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170828.1108.004.html