基于超表面的低剖面寬帶圓極化天線

張際　徐溯　刁楊華　陳志　于寶輝

【摘要】? ? 基于超表面設計了一款低剖面、寬帶、圓極化天線。天線由改進的Wilkinson功分器饋電實現寬帶90°相位差，超表面單元在傳統方環形單元上加載箭頭結構來增加額外的等效電容，進一步改善了天線帶寬和增益性能。仿真和測試結果表明，天線的阻抗帶寬為36.7%（2.0 GHz -2.9 GHz），3dB軸比帶寬為26.1%（2.0 GHz -2.6 GHz），保持穩定右旋圓極化輻射，峰值增益8dBic，整體天線厚度僅0.05λ0（6mm）。

【關鍵詞】? ? 天線? ? 圓極化? ? 寬帶? ? 超表面? ? 低剖面? ? 功分器饋電網絡

引言：

超表面是一種二維平面電磁結構，由哈佛大學的Yu N于2011年提出[1]。因其具有相位調制的特性，可實現電磁波極化可調和傳播可控，近些年來獲得廣泛關注。超表面出色的極化調控功能可以用來實現線極化與圓極化的轉換。2013年西北工業大學的Zhu H L等人設計了帶有對角微帶線的矩形環超表面單元，可以將線極化信號轉換成圓極化[2]，該設計不僅可以使簡單的線極化源天線（貼片天線和縫隙天線）能轉換為圓極化天線，而且能將工作帶寬增加到25%以上，3dB軸比帶寬約7.3%，同時天線整體剖面小于0.078λ0。2020年Liu Y等人設計了旋轉45°的橢圓形貼片周期性陣列，實現線-圓極化轉換[3]，整體剖面低，能實現20.6%的阻抗帶寬和17.4%軸比帶寬;2021年Supreeyatitikul N等人設計了S形單元進行極化調控，阻抗帶寬有43.2%，軸比帶寬有22%，同時具有小型化特點，可用于衛星通信應用[4]。

超表面具有傳播可控特性，合理加載超表面能有效提高天線孔徑效率，增強天線工作帶寬和輻射特性。2016年Zhao W等人設計了用于C波段衛星通信的寬帶超表面圓極化天線[5]。源天線是傾斜縫隙耦合天線，產生橢圓極化波，而加載4×3矩形貼片單元后，天線阻抗帶寬擴展到33.7%，3dB軸比帶寬為16.5%，整體天線厚度0.07λ0，缺點是背面輻射較大，平均天線增益較低，僅5.8dBic;2017年Ta. S. X.等人設計了單饋圓極化天線，源天線是截角的方形天線，利用4×4周期性貼片激發表面波，有效提高阻抗帶寬到45.6%，同時天線大小僅0.58×0.58×0.056λ0 [6];2020年 Hussain N等人設計了單層低剖面圓極化超表面天線[7]，源天線是截角方形貼片產生圓極化信號，在同一層上加載6×6的方形貼片提高天線性能，在低剖面的結構條件下具有寬帶、高效率、高增益的優良特性。

近些年來特征模分析也逐漸應用到設計圓極化超表面天線中。2018年Zhao C等人通過特征模原理設計一款H形單元圓極化超表面天線[8]，通過 4×4 “H”形單元組成超表面，然后通過對稱的交叉孔徑饋電，僅激勵對稱電流對應的模式，抑制其余模式，保證被激勵模式的相位差恒定用于圓極化輻射，天線具有38.8%的阻抗帶寬和14.3%的軸比帶寬;2021年Xi G基于特征模分析，在合適位置蝕刻十字縫隙饋電，激發相同諧振頻率下的兩個相位差90°的正交模式獲得圓極化，實現28.2%的阻抗帶寬和20.9%的3dB軸比帶寬，同時保持0.07λ0的低剖面特性[9]。

一、天線結構設計和工作原理

1.1天線結構

本文設計的低剖面寬帶圓極化天線結構如圖（1）所示，由饋源天線和超表面組成，從上至下三層金屬層分別是超表面、源天線和金屬地。源天線是在H1=1.5mm的Rogers 5880（εr=2.2，tanδ=0.0009）介質板上印刷的邊長為Px的方形貼片，該貼片由改進的Wilkinson功分器激勵，該功分器可以提供90°的相位差用于實現圓極化，并且能增強天線的工作帶寬。超表面由加載箭頭結構的4×4方環形單元組成，能夠增強帶寬和增益。超表面印刷在最上層H2=1mm的FR-4（εr=4.3，tanδ=0.02）板子上。空氣高度H3=3.5mm，兩層介質板設計成同樣的大小便于組裝。天線的整體大小為120 mm ×120 mm ×6 mm。

1.2饋電網絡及源天線設計

傳統矩形貼片天線是線極化輻射，要想產生圓極化的一種簡單方法是截角。通過調整貼片截角的參數可以調整兩個正交模式的相位和幅度值實現圓極化。但是這種截角實現的圓極化天線的阻抗帶寬和軸比帶寬都很窄。另一種實現圓極化輻射的方法是在方形貼片的相鄰兩條邊激勵起兩個正交模式，使兩個模式的幅度相等、相位差90°，這種結構簡單，阻抗帶寬和軸比帶寬相對較大。因此本文選用后者來設計圓極化天線。方形貼片設計初始值確定：

改進的Wilkinson功分饋電網絡設計如圖2所示，該功分器能實現等幅同相激勵，其中使饋線路徑差1/4波長來提供額外的90°相位差，同時加載100Ω的電阻增強輸出端口的隔離度，也能吸收不平衡的反射。饋電網絡的結構參數為：L1=10 mm，L2=13 mm，L3=9 mm，L4=5 mm，W1=4.6 mm，W2=2.7 mm，X1=12 mm，Y1=15 mm。該饋電網絡在1.8-3.2 GHz內的反射系數優于-15dB;傳輸系數均在-3dB左右，傳輸損耗小，輸出幅度近似相等;|S23|小于-15dB，隔離度很好。另外，輸出端口的相位差在中心頻率2.4GHz附近為90°，可以用于實現寬帶圓極化。圖3為源天線在2.4GHz時的表面電流分布，表面電流沿逆時針方向旋轉，天線是右旋圓極化天線。

1.3超表面設計

本文中超表面在常規方環形超表面基礎上設計了帶有箭頭得結構，用于改善等效電路中的電容值。該超表面由4×4單元構成（如圖4所示），其中單元周期是P，單元間距是g，方環的寬度是w。

1.4超表面天線的仿真結果

圖5給出了加載了超表面的天線的仿真結果。從圖5（a）可看出該天線具有較寬的阻抗帶寬（36.7%）和軸比帶寬（26.1%）。加載超表面不僅增加了帶寬，還有效提高了天線的增益，圖5（b）給出了加載和不加載超表面的天線增益，不加載超表面的天線峰值增益僅為4 dBi，而加載超表面的天線峰值增益提高至10dBi。

二、加工與實測結果

為了驗證設計的正確性，制作并測試了低剖面超表面寬帶圓極化天線。圖6是天線加工圖，最上層的4×4超表面單元印刷在1mm厚的FR-4基板上，中間空氣高度3.5mm，下方1.5mm厚的Rogers板材，總厚度6mm。饋源貼片和饋電網絡印刷在下層板，使用尼龍螺絲和墊片固定基板和天線結構。

圖7給出了仿真和測試結果的對比。在2.0 GHz到2.9 GHz（36.7%）頻段內可實現|S11|低于-10 dB，在2.0-2.6GHz（26%）頻段內軸比小于3dB，實測增益穩定。測量結果與仿真吻合良好，較小的頻率偏移主要由加工誤差，如墊片厚度和尼龍螺絲等使得上下層板之間的小偏移、同軸電纜的損耗等。

圖8給出了天線在2.2 GHz和2.6GHz處的仿真和測量的輻射方向圖。測量和仿真結果吻合良好。結果表明天線在邊射方向上的交叉極化（左旋圓極化）抑制均好于-20dB，由于使用同軸饋電而非縫隙饋電，背面輻射很低（小于-20dB）。表1是本文設計的天線與其他圓極化天線對比。與本文所設計的天線相比，文獻[4， 5， 8]中天線背面輻射較高，前后比指標較差;文獻[6]中的天線剖面較高;文獻[7-9]中的3dB軸比帶寬較窄，圓極化工作頻帶不夠。綜合而言，本文設計的圓極化天線具有低剖面、寬帶、增益高和前后比良好的整體性能。

三、結束語

本文設計了一款基于超表面的低剖面寬帶圓極化天線。天線由改進的Wilkinson功分器饋電實現寬帶圓極化，然后在方環形單元上加載箭頭結構來增加額外的等效電容，進一步改善了天線帶寬和增益性能。仿真和測試結果表明，天線的|S11|<-10dB帶寬為36.7%（2.0 GHz -2.9 GHz），3dB軸比帶寬為26.1%（2.0 GHz -2.6 GHz），保持穩定右旋圓極化輻射，峰值增益8dBic，整體天線厚度僅6mm（0.05λ0）。

參? 考? 文? 獻

[1] Yu N， Genevet P， Kats M A， Aieta F， et al. Light propagation with phase discontinuities： Generalized laws of reflection and refraction[J]， Science， 2011， 334： 333-337.

[2] Zhu . L ， Cheung S W， et al. Linear-to-Circular Polarization Conversion Using Metasurface[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation， 2013， 61（9）： 4615-4623.

[3] Liu Y ， Huang Y ， Liu Z ， et al. Design of a compact wideband CP metasurface antenna[J]. International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering， 2020， 30（10）： 22332.

[4] Supreeyatitikul N ， Lertwiriyaprapa T ， et al. S-Shaped Metasurface-Based Wideband Circularly Polarized Patch Antenna for C-Band Applications[J]. IEEE Access， 2021， 9： 23944 - 23955.

[5] Zhao W ， Long L ， Li Y ， et al. Metasurface Superstrate Antenna With Wideband Circular Polarization for Satellite Communication Application[J]. IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters， 2016， 15：374-377.

[6] Ta S X ，? Park I . Metasurface-based circularly polarized patch array antenna using sequential phase feed[C]// International Workshop on Antenna Technology： Small Antennas. IEEE， 2017：24-25.

[7] Hussain N ， Jeong M ， Abbas A ， et al. Metasurface-Based Single-Layer Wideband Circularly Polarized MIMO Antenna for 5G Millimeter-Wave Systems[J]. IEEE Access， 2020， 8： 130293 - 130304.

[8] Zhao C ， Wang C F . Characteristic Mode Design of Wide Band Circularly Polarized Patch Antenna Consisting of H-Shaped Unit Cells[J]. IEEE Access， 2018， 6： 25292 - 25299.

[9] Gao X ， Tian G W ， Shou Z ， et al. A Low-profile Broadband Circularly Polarized Patch Antenna Based on Characteristic Mode Analysis[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters， 2020， 20： 214 - 218.