基于特征模分析的寬帶超表面天線設計

李 治，馬潤波，韓麗萍

(山西大學 物理電子工程學院，山西 太原 030006)

隨著社會信息化進程不斷加速，無線通信的重要性日益彰顯.天線作為電磁波收發裝置，其性能好壞與無線通信質量和效率直接相關.微帶天線因其具備剖面低，尺寸小，重量輕，成本低等優點受到了研究人員的廣泛關注，但較高的品質因子導致其帶寬較窄.傳統提高微帶天線帶寬的方法有：寄生貼片、厚空氣介質、縫隙加載和電容耦合饋電等[1-4].加載寄生貼片和厚空氣介質增加了天線的尺寸，不規則縫隙以及寄生貼片的數量提升了天線的分析難度.近年來，超表面因其超常的物理特性引起了研究人員的廣泛關注，將超表面放置于微帶天線周圍，可以激發準多次模，加強諧振特性，從而展寬帶寬.

目前，國內外學者針對寬帶超表面天線展開了一系列的研究，并取得了一定的成果.文獻[5-8]通過激勵超表面的模式實現寬帶.文獻[5]通過在超表面單元刻蝕縫隙引入新的諧振模式，多個模式組合在一起實現了36%的帶寬；文獻[6]采用鋸齒形條帶激勵超表面的3個模式，實現了37%的帶寬；文獻[7]通過分裂超表面單元使天線的帶寬達到了16.6%；文獻[8]根據非均勻超表面的模式因子和表面電流，旋轉超表面單元使得超表面的兩個模式靠近，天線的帶寬為15.8%.文獻[9-13]通過組合超表面和縫隙天線的諧振模式實現寬帶.文獻[9-10]采用縫隙耦合激勵超表面，超表面的諧振模式和縫隙天線的諧振模式結合，天線的帶寬分別為31%和30.3%；文獻[11]通過矩形介質諧振腔激勵超表面，組合介質諧振腔的諧振模式和超表面的諧振模式，天線的阻抗帶寬為29.7%；文獻[12]采用介質集成縫隙波導激勵超表面，縫隙的諧振模式和超表面的諧振模式組合在一起實現了35.5%的帶寬；文獻[13]通過調整超表面方形環的寬度，產生了兩個相鄰的諧振模式，結合縫隙天線的諧振模式，其工作寬帶達到了54%.文獻中大部分天線的帶寬低于40%，本文的設計目標是較大帶寬的超表面天線，并且在整個通帶內具有穩定的增益

本文設計了一種基于特征模分析的超表面天線.使用特征模理論分析方法，設計了具有良好輻射性能的寬帶超表面結構.采用縫隙耦合方式激勵超表面，通過組合超表面的諧振模式和縫隙天線的諧振模式實現寬帶.測量結果表明，該天線的工作頻段為5.5 GHz～9.5 GHz，在頻帶內具有良好的輻射模式.

1 基于特征模分析的寬帶超表面

圖 1 給出了超表面演化過程，其中，超表面Ⅰ由4×4正方形貼片組成，超表面Ⅱ將角落貼片分裂為3×3子陣，超表面Ⅲ在超表面Ⅱ的基礎上，將邊緣貼片進一步分裂為4×4子陣.設計的超表面工作在5.5 GHz～7.5 GHz頻段，通過商業仿真軟件CST對超表面進行特征模分析.圖 2 給出了超表面Ⅰ前10個模式的MS(Modal Significance)值隨頻率的變化，由圖 2 可知，模式1和模式2、模式3和模式4、模式5和模式6、模式7和模式10、模式8和模式9分別具有相同的諧振頻率和相似的頻率變化趨勢，是5組不同的簡并模式，所以只選擇模式1、模式3、模式5、模式7和模式9進行分析.

圖 1 超表面演化過程

圖 2 超表面Ⅰ的模式因子

圖 3 給出了超表面Ⅰ在6.5 GHz時的特征電流和輻射模式，其中黑色箭頭表示電流方向.

圖 3 超表面Ⅰ的特征電流和輻射模式

由圖 3 可知，超表面在模式3的特征電流同向，具有良好的輻射模式，而在模式1、模式5、模式7和模式9存在反向電流，輻射模式的主瓣分裂、出現輻射零點.圖 4 給出了模式3在 5.5 GHz 和 7.5 GHz 的特征電流和輻射模式.由圖 6 可知，在 5.5 GHz時，超表面的特征電流是同向的，產生了較好的輻射模式；在7.5 GHz時超表面存在反向電流，相對應的輻射模式主瓣分裂，產生旁瓣.

圖 4 超表面Ⅰ在模式3的特征電流和輻射模式

圖 5 超表面Ⅱ的特征電流和輻射模式

為了改善超表面Ⅰ在7.5 GHz處的輻射模式，將角落貼片分裂為3×3的子陣，形成了超表面Ⅱ，其結構如圖 1(b) 所示.由于分裂了角落貼片，模式3改變為模式1.圖5給出了超表面Ⅱ的特征電流和輻射模式，可以看到將角落貼片分裂后，在5.5 GHz和6.5 GHz處的特征電流和輻射模式并沒有太大的變化；在7.5 GHz處，角落貼片的反向電流受到抑制，主瓣增強，輻射模式得到了改善，但超表面單元內仍存在反向電流，產生旁瓣.在超表面Ⅱ的基礎上將邊緣貼片分裂成 4×4的子陣，形成了超表面Ⅲ，其結構如圖 1(c) 所示.圖 6 給出了超表面Ⅲ的特征電流和輻射模式，由圖 6 可知，分裂角落貼片和邊緣貼片后，超表面的特征電流是同向的，主瓣增強，旁瓣消失，產生了良好的輻射模式.

圖 6 超表面Ⅲ的特征電流和輻射模式

2 寬帶超表面天線設計

在上述分析的基礎上，設計了縫隙耦合寬帶超表面天線，其結構如圖 7 所示.

(a) 側視圖

天線由超表面和縫隙天線組成.超表面印刷在上層介質基板，由4×4正方形貼片組成，角落貼片分裂為3×3子陣，邊緣貼片分裂為4×4子陣，其結構如圖7(b)所示.縫隙天線印刷在下層介質基板，由刻蝕了長方形縫隙的接地板和50 Ω的微帶線組成.微帶線通過接地板的縫隙激勵超表面，超表面的諧振模式和縫隙天線的諧振模式組合在一起實現寬頻帶.介質基板選用聚四氟乙烯(PTFE)，相對介電常數和損耗角正切分別為2.2和0.002，采用商業仿真軟件CST建模分析，優化的參數如表 1 所示.

表 1 天線結構參數

3 結果與討論

天線印刷在相對介電常數為2.2的聚四氟乙烯介質基板上，圖 8 為天線的實物圖.采用Agilent公司N5221A矢量網絡分析儀測量天線的反射系數，Lab-Volt公司8092型自動天線測量系統測量天線的輻射方向圖.

圖 8 天線的實物圖

圖 9 為天線仿真和測量的S參數.由圖 9 可知，仿真的-10 dB阻抗帶寬為 5.39 GHz～8.96 GHz，測試的阻抗帶寬為53.4%(5.5 GHz～9.5 GHz).測量結果與仿真結果的差異主要源于天線的介電常數偏差以及加工誤差.

圖 9 天線的S參數

圖 10 給出了天線在6.1 GHz和8.5 GHz的歸一化輻射方向圖.從圖 10 中可以看出，測量與仿真結果基本一致，天線在6.1 GHz處輻射模式良好，8.5 GHz處略有惡化.

(a) at 6.1 GHz

圖 11 給出了所設計天線的增益曲線.由圖 11 可知，天線的增益范圍為7.8 dBi～10.8 dBi.另外，圖 11 給出了文獻[13]的增益曲線，可見文獻的天線增益在6 dBi～10.7 dBi之間變化，本文天線在工作頻帶范圍內具有穩定的增益性能.

圖 11 天線的增益

表 2 給出了本文和文獻中寬帶超表面天線的性能比較.由表 2 可知，除文獻[13]中報道的天線以外，本文天線的帶寬最大.另外，本文天線的增益比大部分天線都高.與文獻[13]相比，本文增益較為穩定.

表 2 寬帶超表面天線的性能比較

4 結 論

本文設計了一種基于特征模分析的寬帶超表面天線.使用特征模理論分析方法，設計了具有良好輻射性能的寬帶超表面結構.采用縫隙耦合方式，通過組合超表面的諧振模式和縫隙天線的諧振模式實現了寬帶.測量結果表明，天線的相對帶寬為53.4%，增益為7.8 dBi～10.8 dBi，同時還具有較好的方向圖，并且結構簡單，成本較低，易于加工，具有較好的應用前景.