小型超表面圓極化天線設(shè)計

馬學(xué)禮，馮全源

(西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610031)

小型超表面圓極化天線設(shè)計

馬學(xué)禮，馮全源

(西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610031)

針對普通圓極化天線設(shè)計過程復(fù)雜和面積過大的缺點，設(shè)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(xiàn)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(guī)則的斜十字結(jié)構(gòu)，尺寸僅為25 mm×25 mm×4 mm，就可以在5.74～5.87 GHz范圍內(nèi)實現(xiàn)軸比小于3 dB。該天線結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強(qiáng)、輻射特性優(yōu)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(tǒng)的發(fā)展，普通的線極化天線[1]已經(jīng)不能滿足復(fù)雜的通信要求。在遠(yuǎn)距離傳輸和抗干擾方面，圓極化天線[2]有顯著的優(yōu)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(tǒng)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(jié)構(gòu)簡單，但圓極化實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計復(fù)雜，多點饋電圓極化天線[8]饋電網(wǎng)絡(luò)比較復(fù)雜，面積大，但較容易實現(xiàn)圓極化，軸比帶寬較寬。阿基米德螺旋圓極化天線[9]性能優(yōu)異，交叉極化低，軸比帶寬也非常寬。超表面結(jié)構(gòu)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(jī)的表面蒙皮和雷達(dá)的表面罩，可以提高天線的方向性和抗干擾能力。文獻(xiàn)[12]提出了利用超表面合成圓極化波，本文重新設(shè)計了圓極化超表面，對超表面小型化設(shè)計，成功地利用超表面降低天線的軸比，實現(xiàn)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(jié)構(gòu)[13]的一種，周期性結(jié)構(gòu)分為貼片型和孔徑型2種結(jié)構(gòu)，貼片型[14]在諧振頻率附近呈現(xiàn)全反射特性，孔徑型[15]在諧振頻率附近呈現(xiàn)全透射特性。周期性結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，當(dāng)電磁波通過超表面時，電磁波的相位會發(fā)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(diào)制[16]的特性，能夠在很小的尺度范圍內(nèi)實現(xiàn)電磁波極化狀態(tài)的調(diào)制。

2 圓極化天線結(jié)構(gòu)

本文用到的縫隙天線如圖1所示，尺寸參數(shù)：a=25 mm,b=11.6 mm，c=13 mm,e=3 mm，設(shè)計在相對介電常數(shù)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(diào)節(jié)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(jié)構(gòu)

(1)

Z1=R1+jX1，

(2)

Z2=R2+jX2。

(3)

圖2 圓極化超表面結(jié)構(gòu)

圖3 圓極化超表面結(jié)構(gòu)實物

圖4 5.8 GHz縫隙天線實物

3 仿真結(jié)果和分析

本文超表面和縫隙天線的仿真是在HFSS軟件下進(jìn)行的?？p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(shù)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(fā)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(yuǎn)大于3 dB，可認(rèn)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?yōu)樾∮? dB，其在5.74～5.87 GHz頻率范圍內(nèi)都小于3 dB，最低達(dá)到0.6 dB。證實了本文超表面能減小軸比，實現(xiàn)圓極化的功能。超表面參數(shù)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(shù)b對反射系數(shù)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(shù)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(nèi)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(nèi)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(qiáng)度比較圖如圖13所示，可以一眼看出右旋圓極化的電場強(qiáng)度遠(yuǎn)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(qiáng)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(shù)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(diào)節(jié)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(xiàn)的，因此可以調(diào)節(jié)g的值來獲得需要的軸比。

4 結(jié)束語

不同于普通圓極化天線的實現(xiàn)原理，本文在普通線極化天線的基礎(chǔ)上，通過加載超表面能改變天線極化狀態(tài)的原理，設(shè)計了一個圓極化超表面來降低天線的軸比，實現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)了圓極化，適用于要求小型化的天線系統(tǒng)。本文天線結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強(qiáng)，輻射特性優(yōu)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。

[1] LI Y,FENG Q Y.A Compact Composite Right/left-handed Transmission Line Antenna with Extended Bandwidth[J].Journal of Electromagnetic Waves and Applications,2013,27(1)：123-130.

[2] DENG C J,LI Y.A Dual-band Circularly-polarized Stacked Patch Antenna with a Small Frequency-ratio[C]∥Antennas and Propagation Society International Symposium(APSURSI),2013:942-943.

[3] DU S，CHU Q X，LIAO W．Dual-band Circularly Polarized Stacked Square Microstrip Antenna with Small Frequency Ratio[J].Journal of Electromagnetic Waves and Applications，2010，24(11):1 599-1 608．

[4] HE W，XU B.A Novel Broadband Circularly Polarized Planar Antenna Based on off-centered Coplanar Waveguide Feeding Method[J].Progress in Electromagnetic Research Symposium(PIERS),2016(8):4 432-4 436.

[5] ZHANG Z Y，LIU N W，ZHAO J Y，et al．Wideband Circularly Polarized Antennawith Gain Improvement[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2013(12):456-459．

[6] 李卉，張輝，余志勇.一種新型末端加載的寬帶平面螺旋天線設(shè)計[J].無線電通信技術(shù)，2015，41(1):49-51.

[7] CHANG N.Dual Band CP Antenna by Adding Sleeves to the Monopole[C]∥Antennas and Propagation(APCAP),IEEE 4th Asia-Pacific Conference on,2015:195-196.

[8] WANG K X,JI Z Q.Polarization Reconfigurable CP Antenna with 3D Meandering Probe-Fed[C]∥Radio and Antenna Days of the Indian Ocean(RADIO),2015:1-2.

[9] DUAN L Y,GENG J P.A Low Profile CP Antenna Based on Novel Hexagon Grids Optimization Model[C]∥Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting,IEEE International Symposium on,2015:1 991-1 992.

[10] 謝開，高軍，曹祥玉，等.基于超表面的寬帶低剖面圓極化天線設(shè)計[J].現(xiàn)代雷達(dá),2016,38(8):59-64.

[11] ZHU H L，CHEUNG S W，CHUNG K L，et al．Linear-to-Circular Polarization Conversion Using Metasurface[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2013，61(9):4 615-4 623．

[12] ZHU H L.Design of Polarization Reconfigurable Antenna Using Metasurface[C]∥IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2014.

[13] ZHU H L.Frequency-Reconfigurable Antenna Using Metasurface[C]∥IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2014.

[14] 曹衛(wèi)平,李蒙,王坤,等.基于FSS的寬帶高增益微帶天線[J].無線電工程，2016，46(11)：59-62.

[15] HUANG F C,CHIU C N．A Circularring Miniaturized-element Metasurface with Many Good Features for Frequency Selective Shielding Applications[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility,2015,57(3):365-374.

[16] ZHU H L，CHUNG K L，SUN X L，et al．CP Metasurfaced Antennas Excited by LP Sources[C]∥Proceedings of the 2012 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation,IEEE Press，2012:1-2.

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(xué)禮，馮全源.小型超表面圓極化天線設(shè)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(xué)基金重點項目(61531016)；國家自然科學(xué)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(xué)禮 男，(1992—)，碩士研究生。主要研究方向：天線理論與設(shè)計。

馮全源 男，(1963—)，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向：天線理論與設(shè)計、數(shù)字、模擬、射頻與混合信號集成電路設(shè)計等。