非諧振單元加載的寬帶超表面透鏡天線設計

翟昱濤，顏 坤，王 毅，夏 雨

（1.哈爾濱工業大學，黑龍江哈爾濱 150001；2.中國航天科工信息技術研究院，北京 100070；3.南京航空航天大學，江蘇南京 211106）

0 引言

超表面是一種準二維人工電磁材料[1]，它在保持了三維超材料的特異電磁特性的同時，解決了三維超材料加工困難、損耗較大和難以集成等困難，在電磁波調控領域發揮了巨大的作用。

當前的超表面研究大多是基于諧振型單元結構[2-4]，利用諧振區域的相位突變可以在諧振頻點處實現較大范圍的相位覆蓋，進一步基于廣義Snell折射/反射定律[5]，可以設計控制電磁波傳播方向的超表面。2011年哈佛大學Yu等人采用8種不同形狀的“V”型超表面單元實現了相位覆蓋2π 范圍的相位梯度超表面，并設計了超薄平面透鏡和軸錐透鏡，實現了良好的聚焦效果[1]。隨后關于超表面透鏡的設計成為了電磁超材料領域研究的熱點和前沿，研究者們對此產生了濃厚的興趣，利用相位的改變進行了多種設計，例如光學渦旋器、反射面天線[6]、RCS縮減[7]等。

本文設計了一款工作在X波段非諧振的相位補償超表面，利用非諧振區域實現了超表面寬帶的相位改變。將超表面補償在標準增益的喇叭天線口面上，使其口面成為等相位面在近場區域產生平面波，消除一般測試系統中的繞射影響。

1 超表面單元設計

寬帶透射型超表面的設計要兼顧相位和幅度2方面的設計。相位需要覆蓋天線口面處的所有點的相位；幅度方面，透射系數要高于0.8使電磁波盡量全部透過，否則會影響天線的增益。圖1給出了由一層介質構成的透射型單元示意圖，該結構由上層金屬和介質板組成。

圖1 超表面基本單元

單元內小正方形金屬片邊長a=2 mm，金屬環寬度g=0.5 mm，超表面周期L=12 mm，介質板高度h=2 mm。采用的介質基板是Roger5880，介電常數為2.2，損耗角正切是0.000 9。

圖2 超表面單元仿真結果

對超表面基本單元的傳輸系數幅度和相位進行仿真，結果如圖2所示。從圖2（a）可以看出透射系數在23.5 GHz處有一個諧振點，對應圖2（b）相位在23.5 GHz處有一個尖銳的變化。因此，在利用該單元進行寬帶設計的時候，應遠離諧振點并通過多層設計來實現覆蓋更廣相位變化的超表面。

基于前述分析，本文最終優化結構，設計了如圖3所示的由10層介質基板、11層金屬環和小正方型金屬貼片構成的費血癥相位單元。經過尺寸優化后，環內小正方形金屬片設置為g=0.5 mm，超表面周期L=12 mm，介質板高度h=1 mm。對該多層超表面基本單元進行全波仿真，透射系數和透射相位仿真結果如圖4所示。在10～12 GHz頻帶內保證了超表面的高透射性，在X波段內改變a1的長度基本保證可以覆蓋的相位，透射系數在10～12 GHz頻帶內基本大于0.8。

圖3 優化后超表面單元結構

圖4 透射系數和透射相位仿真結果

2 寬帶超表面透鏡天線設計

針對常用的標準增益喇叭天線進行設計，口徑大小選擇119 mm×160 mm。由于矩形喇叭具有一定的張角，因此將從矩形波導輻射的電磁波近似看作是準球面波，通過超表面單元單元補償各處相位，從而使透射出來的準球面波轉化成平面波，原理圖如圖5所示。

圖5 調控喇叭天線電場原理圖

提取出喇叭口面處的相位分布，如圖6所示，再將其填充相應的超表面單元進行相位補償，進行全波仿真，觀察天線近場區域的電場分布變化。

圖6 喇叭天線10 GHz口徑橫截面的相位分布

對加載超表面的喇叭天線（透鏡天線）進行全波仿真，用13×10個單元根據相位補償的方式裝配在喇叭天線橫截面上，如圖7所示。

圖7 透鏡天線

圖8給出了透鏡天線的近場仿真結果比較。可以看出在8.4 GHz、10 GHz和11.6 GHz處，不加載超表面時，天線口徑外的輻射已呈現出球面波的傳播方式。而加載相位補償超表面后，天線口徑處的輻射場呈現較好的平面波特性。

圖8 透鏡天線在不同頻率的近場仿真結果

圖9分別給出了8.4 GHz、10 GHz和11.6 GHz處空喇叭和透鏡天線的遠場輻射圖對比。可以看出，透鏡天線的材料雖然對電磁波有損耗效果，但由于對電磁波有一定的聚合效果，所以增益幾乎沒有損失。

圖9 空喇叭和透鏡天線的增益對比

3 結束語

本文在超表面相位設計的基礎上根據相位補償的方法，將一種非諧振超表面加載在標準增益的喇叭天線的口徑上，形成了透鏡天線。在X波段里將喇叭輻射處的準球面波轉換為平面波，簡化測試所需要的遠場條件以及測試過程中產生的繞射現象。本文實現的透鏡及設計方法為天線測試系統提供了更加簡便準確的測試方式，對物體電磁性能的測量有較高的實用價值。