基于超表面的極化可重構天線設計

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。可重構天線按照功能可分為極化可重構、頻率可重構和方向圖可重構天線等,對于極化可重構天線[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構。根據需求,可以設計出負介電常數和負磁導率等特殊的電磁特性。超表面[8-10]是二維結構的超材料,在FSS 頻率選擇表面和RCS 縮減等方面[11-12]已經取得許多突破性的研究進展,是天線領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超表面天線,通過對8 個PIN 二極管開關的控制,實現天線的極化可重構功能,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天線的圓極化可重構,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 內產生水平極化和垂直極化,最終轉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-極化可重構天線,采用雙縫隙天線結構,通過改變超表面和縫隙天線的位置,實現線極化和圓極化的可重構,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 實現線極化和圓極化的可重構功能,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天線。對設計的超表面天線采用機械方式旋轉,無需電控方式,可以避免PIN 二極管、MEMS 開關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果的研究,分析超表面天線的反射系數、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功能。

1 超表面天線的設計

圖1 所示為超表面天線的結構圖,由上層結構的圓弧切角矩形單元和下層結構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的操作,所以將超表面天線的整體結構設計為圓形形狀。超表面天線的兩個介質層基板均采用半徑為39 mm、厚度為1.524 mm 和介電常數為3.48 的Rogers 4350B,其中上層結構的介質層基板背面和下層結構的微帶縫隙天線直接接觸,采用同軸線饋電方式[13]。

圖1 超表面天線的結構圖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構。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,為矩形單元結構的等效電路圖。當矩形單元結構沒有圓弧切角時,結構是對稱性的,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構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構中縫隙產生的電容。

當矩形單元結構有圓弧切角時,由于圓弧切角矩形單元結構是不對稱的,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構的縫隙距離,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。

超表面天線的旋轉角度在0°到180°范圍內,當旋轉角度θ=0°時,為左旋圓極化狀態(tài);當旋轉角度θ=90°時,為右旋圓極化狀態(tài)(RHCP);當旋轉角度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參數進行優(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)進行參數分析。當θ=0°時,為左旋圓極化狀態(tài),分析改變參數對反射系數和軸比的影響,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構的最優(yōu)尺寸參數。

圖4 中,改變參數a會對中心頻率點、阻抗帶寬和軸比帶寬產生較大影響,當參數a=17 mm 時,阻抗帶寬和軸比帶寬均較窄,而當參數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a=19 mm 作為圓弧切角矩形單元的邊長尺寸。

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

圖5 中,改變參數b會對軸比帶寬產生較大影響,而中心頻率點和阻抗帶寬基本不變。當參數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b=8 mm 作為圓弧切角矩形單元的圓弧切角尺寸。

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

圖6 中,改變參數c會對中心頻率點、阻抗帶寬和軸比帶寬產生較大影響,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c=1.0 mm作為圓弧切角矩形單元結構中單元間距的尺寸。

圖6 參數c 對反射系數和軸比的影響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構中圓弧切角矩形單元的相關參數進行分析和優(yōu)化,確定圓弧切角矩形單元的尺寸參數為: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、軸比、輻射效率和輻射增益的仿真和實測結果進行對比和分析。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。

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

如圖9 所示,為不同旋轉角度時,天線反射系數的仿真和實測結果對比。如圖9(a),當旋轉角度θ=0°時,左旋圓極化的阻抗帶寬仿真和實測結果分別為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),當旋轉角度θ=45°時,線極化的阻抗帶寬仿真和實測結果分別為3.23～4.05 GHz 和3.39～4.04 GHz,兩曲線趨于近似。如圖9(c),當旋轉角度θ=90°時,右旋圓極化的阻抗帶寬仿真和實測結果分別為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),當旋轉角度θ=135°時,線極化的阻抗帶寬仿真和實測結果分別為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,由于超表面天線結構的對稱性,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的仿真結果與實測結果對比,產生了小幅度偏移,但曲線整體趨勢近似。

圖9 反射系數的仿真和實測結果對比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果對比。如圖10(a),當θ=0°時,左旋圓極化的仿真和實測結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,造成實測結果中左旋圓極化的軸比帶寬產生約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極化可重構功能。

圖10 LHCP 和RHCP 軸比的仿真和實測結果對比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果對比。本文設計的超表面天線通過機械方式旋轉,可以在3.20～3.64 GHz 內實現左旋圓極化、右旋圓極化和線極化,可以相互轉換,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果對比Tab.2 Comparison of simulation and measurement results of metasurface antenna

5 結論

本文設計了一種基于超表面的極化可重構天線,通過機械的方式旋轉上層結構的圓弧切角矩形單元,在0°～180°內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 內相互轉換。通過仿真和實測結果對比,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功能,且天線性能較好,符合設計要求。