容性加載的寬帶緊湊型圓極化超表面天線

陳東旭，車文荃，楊琬琛，薛 泉*

(1.河海大學 計算機與信息學院，江蘇 南京 210098；2.華南理工大學 電子信息學院，廣東 廣州 510641)

0 引言

圓極化天線[1-3]因具有減少極化失配等優點，常被用于全球定位、移動衛星等通信系統中。過去，最常見的圓極化天線形式是貼片天線，這類天線具有結構簡單、體積小、成本低和易集成等優點，但也存在帶寬窄、增益低等缺點，無法滿足現代無線通信系統對大信道容量的需求。

近年來，超表面結構因具有獨特的電磁特性[4-6]而被用作直接輻射體來實現高性能天線[7-18]，具有高增益、寬帶和低剖面等優點，但其整體尺寸遠大于傳統貼片天線，不利于陣列設計和集成。目前超表面天線的小型化方法主要包括：減小相鄰超表面單元間的間隙[11]、加載諧振結構以增加電流路徑[12-14]和使用高介電常數的介質板材[11]等，但受加工限制，通常存在減小尺寸有限、帶寬窄等問題。因此，在保持高增益和寬帶特性的同時，設計出結構緊湊的超表面圓極化天線是一個很大的挑戰。為此，提出了一種緊湊的跨層容性加載超表面結構，結合45°斜縫隙耦合的饋電方式，在小尺寸情況下，實現了具有寬帶特性的圓極化超表面天線。

1 小型化的跨層容性加載超表面結構

1.1 常規的方形超表面結構

常見的方形超表面結構(Metasurface，MS)如圖1所示，一般由方形金屬貼片、單層介質基板和金屬地板組成，其等效電路模型為一并聯諧振回路[4，11]，如圖1(c)所示。其表面阻抗由對地電感Ld和單元間間隙形成的邊緣電容C0并聯而得，諧振頻點f0的計算公式為：

(a) 正視圖 (b) 側視圖 (c) 等效電路模型

(1)

式中，邊緣電容C0和對地電感Ld可近似為：

(2)

Ld=μh0。

(3)

由此可以發現，對于常見的方形超表面結構，其邊緣電容C0的大小主要取決于由金屬貼片的寬度W1及金屬貼片間的間隙寬度G1，而等效電感Ld的大小主要取決于介質基板的厚度h0。因此，當介質基板選定時，超表面結構的諧振頻率f0主要取決于金屬貼片的寬度W1及貼片之間的間隙寬度G1。

1.2 跨層容性加載超表面結構的提出及小型化機理

基于以上方形超表面結構的等效電路，結合式(1)可知，若想實現超表面結構的小型化，選擇合適的方式來增加等效電容是一種有效的方法。當等效電容增加時，諧振頻點會相應地降低，進而實現結構的小型化。因此，提出了一種新型的跨層容性加載技術，通過在方形超表面結構上方加載印制有堆疊金屬貼片的薄介質板以引入額外的跨層電容，從而降低諧振頻點，實現超表面結構的小型化。具體結構如圖2(a)和(b)所示，長度為La、寬度為Wa的堆疊貼片印制于厚度為h2的薄介質基板上，且放置于下層方形金屬貼片之間間隙的正上方，與方形金屬貼片跨層重疊。

與方形超表面結構類似，提出的跨層容性加載超表面結構的等效電路模型仍為并聯諧振回路，但額外引入了跨層電容CS，如圖2(c)所示。其中，電容C0仍由下層方形金屬貼片間的縫隙提供，等效電感Ld由地板提供，而跨層電容CS則由上層堆疊貼片與下層方形金屬貼片的重疊產生，且通過調節堆疊貼片的大小，可以調節跨層電容CS的大小。因此，2個跨層電容CS與一個邊緣電容C0形成了最終的等效電容。對應地，其諧振頻點f′0為:

(a) 正視圖 (b) 側視圖 (c) 等效電路模型

(4)

顯然，與常見的方形超表面結構相比(如式(1))，由于跨層電容CS的引入，所提出的跨層容性加載超表面結構的諧振頻點會往低頻移動。因此，從等效電路上驗證了跨層容性加載技術能夠增大等效電容，降低諧振頻點，進而實現小型化的機理。

為驗證上述等效電路的準確性，采用Ansoft HFSS仿真軟件中的Floquet port周期模型對同一物理尺寸下的方形超表面結構、跨層容性加載超表面結構進行仿真分析及性能對比，如圖3所示。

由圖3可以看到，方形超表面結構的諧振頻點f0在7.65 GHz處產生，而跨層容性加載超表面結構的諧振頻點f′0在5.2 GHz處產生，諧振頻點大大降低。表明跨層容性加載技術能夠在保證物理尺寸不改變的情況下，有效降低超表面結構的諧振頻點以實現小型化。這些分析結果也與上面等效電路的分析一致，驗證了等效電路模型的準確性。

圖3 2種超表面結構的反射相位曲線

1.3 跨層容性加載超表面結構的極化相關特性

超表面結構的極化相關特性[15]是指當超表面結構在2個正交方向上的表面阻抗不同時，其反射相位特性與入射波的極化相關，常被用于設計圓極化天線[15]。對于所提出的跨層容性加載超表面結構，因在x軸方向上加載堆疊貼片，而在y軸方向上未進行加載，因而x軸方向與y軸方向上的表面阻抗不同，最終2個正交方向x，y方向上所展現出的反射相位曲線Φx，Φy也有很大區別，顯示出極化相關特性。當Φx與Φy的差值為±90°時，能提供實現圓極化所需的x，y兩個正交分量的90°相位差。若入射波的極化方向為45°時，則可以實現圓極化的輻射特性[15]。

圖4給出了所提出的跨層容性加載的超表面結構在x，y軸2個方向上的相位差。

圖4 跨層容性加載的超表面結構在x，y軸方向的相位差

可以發現，該超表面結構在f1=5.2 GHz和f2=8.2 GHz這2個頻點處的相位差均為90°，這表明所提出的跨層容性加載超表面結構具有潛在的寬帶圓極化特性。

2 寬帶小型化的圓極化超表面天線設計

為實現具有寬帶小型化特性的圓極化超表面天線，下面將上述提出的小型化跨層容性加載超表面結構作為直接輻射體進行設計。基于跨層容性加載超表面結構的圓極化天線結構圖如圖5所示，超表面結構采用4×4的單元排布方式，通過微帶線-斜耦合縫隙的饋電方式進行激勵。從上至下，天線的結構包括4層金屬層：堆疊金屬貼片層、方形金屬貼片層、蝕刻有斜耦合縫隙的金屬地板和50 Ω微帶線。天線所用的介質均為Rogers RO4003C，天線的具體結構尺寸如表1所示。

表1 天線結構參數

(a) 側視圖

能量經由微帶線輸入，再經斜縫隙耦合至超表面結構從而將能量輻射出去。這里，跨層電容的存在提供了實現圓極化所需的x，y兩個正交分量的90°相位差；而斜饋電縫隙則提供Ei方向的入射波，當縫隙的傾斜角度θ為45°左右時，則可分解為2個等幅的正交入射波Ex和Ey，結合跨層容性加載超表面結構所提供的90°相位差，則相應地可以實現圓極化的輻射特性。同時，為實現更好的阻抗匹配，微帶線采用扇形開路支節的結構形式，而縫隙也采用階躍狀的結構形式。

3 天線的仿真結果與性能比較

為了驗證提出天線的可行性，采用PCB工藝對提出的跨層容性加載超表面天線進行加工測試，實物如圖6所示。介質基板均選用Rogers RO4003C板材，從上至下有3層介質基板和4層金屬層；介質基板的厚度分別為0.203，3.25和0.813 mm；4層金屬層分別為堆疊貼片層、方形金屬貼片層、耦合縫隙層和微帶線層。這里，不同層間采用導電膠高溫粘合的方式結合在一起，在金屬部分涂導電膠，使其進行粘合。

圖6 所提出的圓極化超表面天線的加工實物

仿真與測試的|S11|、軸比和增益曲線對比如圖7所示。可以看到，測試結果和仿真結果吻合很好。具體來看，所提出的跨層容性加載超表面天線的相對阻抗帶寬的測試結果為39.56%(5.82～8.69 GHz)；測試的3 dB軸比帶寬為26.98%(6.54～8.58 GHz)；測試的最大增益值為6 dBi，且增益曲線非常平坦。此外，歸一化的輻射方向圖如圖8所示。可以看到，測試結果與仿真結果幾乎完全一致，在整個平面內右旋分量抑制均大于15 dB，呈現出很好的左旋圓極化輻射特性。因此，這些測試結果表明所提出的圓極化超表面天線具有良好的輻射特性。

(a) 阻抗系數特性

(a) xoz@8 GHz

本文提出的天線與部分文獻所設計的圓極化超表面天線[9-10，14，16]的比較如表2所示。可以發現，本文提出的基于跨層容性加載的圓極化超表面天線在尺寸和性能上均有相當的優勢，在保持寬帶特性的同時，將尺寸縮減至0.4λ0×0.4λ0；此外，與其他超表面天線的小型化方法[11-14]相比，提出的跨容性加載方式具有更多的設計自由度，有一定的使用價值和應用前景。

表2 圓極化超表面天線比較

4 結束語

本文提出了一種基于新型跨層容性加載超表面結構的寬帶小型化圓極化天線，通過在方形貼片上加載跨層貼片的方式引入跨層電容，減小了超表面結構的尺寸；結合斜縫耦合的饋電方式，實現了圓極化輻射。測量結果表明，天線的-10 dB阻抗帶寬為39.56%，3 dB軸比帶寬可達26.98%，帶內最大增益可達6 dBi。輻射口徑僅為0.4λ0×0.4λ0，比傳統的方形貼片超表面天線減小了50%。該天線具有圓極化輻射性能良好、寬帶、小型化和低剖面等優點，為現代寬帶無線通信系統天線的實現提供了一種技術方案，也為圓極化超表面天線實現寬角掃描相控陣提供了潛在的可能。