基于人工表面等離激元的天線賦能技術

姚大悅， 何沛航， 張浩馳*， 范 軼， 崔鐵軍*

(1.東南大學毫米波國家重點實驗室，南京，210096； 2.東南大學電磁空間科學與技術研究院，南京，210096; 3.東南大學微電子學院，南京，210096)

近年來，隨著信息科學的不斷發展，無線傳輸設備在導航、電子對抗、雷達、遙控、物聯網設備及移動通信等領域被大規模使用[1-3]。而天線作為無線傳輸設備中不可或缺的部分，承擔著輻射和接收電磁波的功能，被學術界和工程界廣泛關注與研究[3-6]。但是，由于傳統天線存在著尺寸和增益相互制約、高性能輻射與低雷達散射截面(radar cross section, RCS)的固有矛盾、以及寬帶廣角的波束可重構困難等問題，已成為制約以上應用的進一步發展的關鍵因素。

表面等離激元(SPPs)是一種存在于光波頻段的特殊表面電磁波模式，可將電磁能量強束縛于金屬-介質分界面的亞波長范圍內，其沿著分界面切線方向傳播，而在法線方向呈指數衰減[7-8]。然而，電子在金屬中運動所造成的固有傳播損耗限制了表面等離激元器件和系統的發展。雖然降低頻率可有效解決損耗問題，但由于金屬在微波和太赫茲頻段呈現的完美導體特性，表面等離激元模式無法存在于微波及太赫茲頻段。

為了解決這一問題，學者們提出在低頻下用狹縫、孔或塊的一維或二維陣列的金屬結構，模擬表面等離激元模式的想法[9]。這種人工設計的周期性金屬結構被稱為人工表面等離激元(SSPP)結構，是表面等離激元在微波頻段應用的延伸和拓展。利用人工設計排列的周期性金屬結構單元，可在微波頻段模擬金屬的等離子體特性[10-12]，產生類似于光波頻段的表面等離激元電磁波模式，并且可以通過調節金屬結構尺寸實現對電磁波的調控。

由于獨特的強場束縛、低損耗、可調控、小型化、易集成等優點，人工表面等離激元模式可被廣泛應用于微波集成電路、隱身材料、天線等領域[13-23]。例如，人工表面等離激元模式的低損耗特性可用于實現各種高品質因子的亞波長器件[24]，如長距波導、低串擾互連[25]、和高靈敏度探測器[26]等。與相同空間尺寸的傳統微帶器件比較，新型的基于人工表面等離激元的無源和有源器件，如天線[27-38]、濾波器[39-40]、功率分配器[41]、放大器[42]、可調諧器件和可編程器件[43]等，具有許多如抑制相鄰耦合[44]、減小介質損耗[45]和減小屏蔽盒體積[46-47]等卓越特性。

本文討論了基于人工表面等離激元的天線賦能技術。針對現有天線存在的尺寸對材料屬性過度依賴、低RCS天線輻射性能低、以及波束可重構方式少和范圍小等瓶頸問題，著重討論了基于人工表面等離激元的天線賦能技術，包括基于人工表面等離激元的天線小型化技術、RCS抑制技術、以及波束重構技術，為新型天線的研究提供新的思路和選擇。

1 基于人工表面等離激元的天線小型化技術

隨著無線便攜設備的發展，小型化天線受到越來越多學者的關注。實現小型化天線最直接的方法包括使用高介電常數的基板[48],但此類基板往往價格較為昂貴且具有信號完整性等方面的劣勢。此外還可利用電容貼片或短路引腳實現天線小型化設計[49-50]。文獻[51]中采用彎曲槽方式，降低了天線諧振頻率，減小了天線尺寸。就上述方法來說，天線尺寸和增益之間的相互制約關系以及小型化天線帶來的窄帶寬問題都限制了小型化高性能天線的發展。而利用人工表面等離激元模式的慢波特性與高相位常數，基于人工表面等離激元的天線可在保持良好的輻射特性的同時減小尺寸，可在常規介電常數基板上實現天線的小型化。

由于人工表面等離激元模式具有良好的慢波傳輸特性，文獻[52]提出了一種利用人工表面等離激元結構減小非輻射邊長度的方法來減小物理面積，從而實現小型化天線的設計，天線結構如圖1所示。該天線在9 GHz下的有效尺寸為0.16λ0×0.16λ0×0.04λ0，遠小于同性能下傳統天線，而且實現了良好的輻射特性，具有低輪廓、緊湊設計和寬輻射角等特點，可用于未來無線通信系統。

圖1 天線對比圖

文獻[53]利用人工表面等離激元的慢波特性，提出一種具有普通介電常數小型圓極化天線的設計，天線結構如圖2所示，相比于傳統的方形結構，該結構不僅可以減小尺寸，而且可以使TM10和TM01模式之間產生電磁耦合，實現良好的圓極化特性。輻射貼片的整體尺寸為0.17λ0×0.17λ0，面積約為常規貼片(0.5λ0×0.5λ0)的1/10。此外，該方法與現有天線設計相兼容，可促進圓極化天線的小型化發展。

圖2 小型圓極化天線

準八木天線具有結構簡單、方向性強、易于實現高增益等優點，但是也存在增益和結構尺寸之間的相互制約關系。文獻[54]探索了一種新的準八木天線設計，天線結構如圖3所示。天線主要由饋電結構和準八木結構組成。其中，人工表面等離激元饋電結構由過渡結構和人工表面等離激元巴倫組成。準八木結構比傳統的結構長度分別減少了32%和27%，整體天線的尺寸為0.43λ0×λ0×0.0157λ0。

圖3 天線的原理圖

微帶網格陣列天線以其高增益、寬帶寬、易于配置等優點備受關注。文獻[55]提出一種基于人工表面等離激元的微帶網格陣列天線，和傳統天線結構的對比如圖4所示。傳統結構如圖4(a)所示，長邊作為傳輸線，長度為λg，短邊作為傳輸線和輻射元件，長度為λg/2。基于人工表面等離激元的天線結構如圖4(b)所示，在保持良好輻射性能的同時，用人工表面等離激元結構代替長邊微帶線，該天線的有效尺寸為1.08λ0×2.07λ0×0.07λ0，與傳統天線相比減小了36.3%。此外，該天線的10 dB阻抗帶寬為12.5%，比傳統天線(2.4%)性能優越，體現了其在毫米波無線系統中的應用潛力。

圖4 微帶網格陣列天線對比圖

可見，利用人工表面等離激元具有慢波特性與高相位常數，可以解決傳統小型化天線過度依賴高介電常數材料的問題，在常規介質基板上實現具有寬帶高輻射特性的小型化天線，在無線通訊系統中有巨大的應用前景。

2 基于人工表面等離激元的RCS抑制技術

雷達散射截面(RCS)是目標在雷達接收方向上反射雷達信號能力的度量。隨著現代戰爭雷達攻防博弈的不斷發展，在不影響天線輻射性能的前提下減小天線的RCS越來越受到人們的關注。降低天線RCS的方法主要有以下4種：

1)在天線的接地面放置特殊吸收器或者亞波長散射陣列[56]，用以產生強吸收，改變散射波的主瓣方向或極化狀態。但是這種方法僅適用于接地面積大的天線。

2)將部分反射面放置在天線上方，可吸收入射波或改變散射波的極化，從而降低天線的RCS[57]。但這種天線只能作為發射天線使用，且帶寬狹窄。

3)改變輻射源和接地面的形狀，例如采用分形結構[58]或幾何成形方法[59]，通過去除表面電流較小的金屬區域，降低金屬部分的使用率，改變散射場，從而降低RCS。但是這種缺陷結構可能會影響天線與下層電路的隔離。

4)通過添加電阻或鐵氧體磁性材料[60]可降低天線的RCS。但是此類損耗材料的引入會明顯降低天線的效率。

當天線輻射器具有低帶內損耗和高的帶外吸收特性時，可作為帶外吸收器使用。但如果工作頻帶和RCS減小頻帶非常接近，則要求材料處于吸收特性時候是強色散的。傳統的雷達吸波材料雖然是色散的，但當天線的工作頻帶接近于吸波材料時，會在頻帶內產生大吸收特性[61]。人工表面等離激元的色散曲線位于光線下方，具有豐富的色散特性，存在線性的弱色散區，非線性的強色散區，可用于低RCS天線設計。

文獻[61]提出了基于人工表面等離激元模式色散特性的低RCS天線，天線結構如圖5(a)所示。天線由饋電單極子和垂直放置在金屬地上的人工表面等離激元導向結構組成。通過設計可以使人工表面等離激元模式的截止頻率接近饋電單極子的工作頻率上限，從而使人工表面等離激元結構同時充當帶內輻射器和寬帶帶外吸收器。仿真結果如圖5(b)所示，和一個5×5的天線陣列的單元相比，在整個X波段(8.0～12.5 GHz)內，單元RCS降低10 dB以上，最大降低30 dB以上。該設計方法為低RCS天線提供了一種可行的替代方案。

圖5 基于人工表面等離激元的RCS天線

文獻[62]介紹了一種網狀低RCS反射陣列天線。如圖6(a)所示，天線由饋電喇叭和反射器組成。反射器可以在工作頻帶內將球面波轉換為平面波，并傳輸帶外入射波，從而獲得低RCS特性。仿真結果如圖6(b)所示，與參考天線相比，該天線在1.0～8.5 GHz和12.0～19.0 GHz頻率范圍內的RCS明顯減小。

圖6 網狀化RCS反射陣列天線

文獻[63]提出一種利用人工表面等離激元降低高增益輻射和RCS的各向異性超表面，可用于輻射和散射的獨立波操縱。各向異性超表面由各向異性單元組成，如圖7所示，可分別表現出x偏振和y偏振的反射模式和透射模式。通過改變單元的結構參數，可以實現寬范圍內變化的x偏振反射相位和y偏振透射相位。通過與傳統微帶天線的集成，在23.5 GHz下獲得了8.84 dB的高增益波束，并且在22～26 GHz范圍內將RCS降低了10 dB以上。

圖7 基于人工表面的等離激元的各向異性超表面

人工表面等離激元用于頻率選擇結構中，可實現高性能傳輸和散射偏轉功能，降低阻帶內的RCS[64-65]。文獻[66]提出一種基于人工表面等離激元模式的頻選結構，利用金屬魚骨結構，可在截止頻率以下實現基于人工表面等離激元模式耦合的高效傳輸。

如圖8(a)所示，在14.5～18.0GHz，設計了反射相位差在180°左右的2種不同的金屬魚骨結構。頻選結構由具有0101/1010編碼序列的1位編碼超材料組成，每個編碼元素由一個3×3排列的金屬魚骨結構組成。如圖8(b)所示，和等尺寸金屬板的理論RCS相比，在x極化波正入射下RCS減小的效果，可以看出RCS降低了10 dB以上。與其他基于吸收材料的低RCS結構相比，基于人工表面等離激元的頻選結構的通帶性能更好，過渡區更窄，且靈活性更高。

圖8 基于人工表面等離激元模式的頻選結構

綜上所述，由于人工表面等離激元結構豐富的色散特性，可在不影響天線輻射性能的前提下減小天線的RCS，可廣泛應用于隱身雷達系統的設計中。

3 基于人工表面等離激元的波束重構技術

波束重構技術指的是波束隨著天線工作條件改變而發生改變的技術。波束重構可以通過天線陣列或者附加機械轉向結構來實現，但是分別存在系統復雜昂貴及掃描速度慢等問題[67-68]。人工表面等離激元結構的特性隨著尺寸的變化而變化，為設計結構緊湊、超寬帶、廣角的波束可重構天線提供一種新的可能方案。下面分別介紹基于人工表面等離激元的頻率掃描波束重構技術、模式切換波束重構技術、以及電控波束重構技術。

3.1 頻率掃描波束重構

頻率掃描天線是指天線主波束方向隨著頻率變化而變化的天線。傳統的頻率掃描天線實現方法有使用天線陣列周期結構的漏波天線，具有結構緊湊，制作簡單等優點，但是帶寬和波束掃描角還有很大的進步空間[69]。

文獻[70]提出了一種基于貼片陣列實現的頻率掃描天線的方法，由具有梯度波紋槽和擴口地面的人工表面等離激元結構饋電，最大掃描角度可達到83°。此外，學者們還提出基于人工表面等離激元和透射相位梯度超表面的頻率波束掃描天線的設計方法，但是該天線的工作帶寬仍然很窄，結構也較為冗余[71]。

前述方法受到尺寸，掃描角度和多層設計復雜等方面的限制，文獻[69]提出了一種平面人工表面等離激元結構天線，可實現高階模態的廣角頻率波束掃描天線，可用于平面集成通信系統。該天線采用在標準50 Ω共面波導中線上蝕刻的孔陣列來產生人工表面等離激元模式，并利用其高階模式輻射電磁波。同時，為了提高天線的阻抗匹配性，提出了一種正弦孔設計，如圖9所示。波束掃描可以在11.7～50 GHz的寬帶范圍內工作，掃描范圍可達129°，平均增益水平為10.92 dBi。

圖9 人工表面等離激元結構天線

文獻[72]介紹了一種基于人工表面等離激元的廣角掃描增益一致的寬帶漏波天線，如圖10所示。通過在單元結構中引入叉指金屬條，可以在相同的截止頻率下實現更小的傳輸線寬度，利用人工表面等離激元模式的慢波特性，可以有效拓寬漏波天線的光束掃描范圍。在11～16 GHz(37%)的帶寬內，測量波束范圍為-54°～+6°，在火控雷達、成像雷達等應用中具有一定的實用價值。

圖10 寬帶漏波天線

文獻[73]介紹了一種基于人工表面等離激元的周期性調制的方位面上全向天線，可在俯仰面上實現頻率掃描的波束重構，如圖11所示。天線在9.3 GHz上與z軸成55°角輻射，方向性系數為12.2 dBi，見圖11(b)。在俯仰面上，當頻率從8.4 GHz改變到10.2 GHz時，波束改變范圍從67.7°～35.6°，見圖11(c)。

圖11 基于人工表面等離激元的

3.2 模式切換波束重構

人工表面等離激元傳輸線中支持奇模和偶模兩種基礎模式的傳播，通過特殊設計的結構，可實現人工表面等離激元奇偶模切換，為寬角度波束重構天線提供一種新思路。

基于此原理，文獻[74]提出了一種基于人工表面等離激元模式切換的波束重構天線，如圖12所示。在天線中引入了3個PIN二極管控制的可重構電路，通過加載正向或反向偏置電壓，該天線可以在人工表面等離激元傳輸線上激勵奇偶模，實現傳輸模式轉換，進而實現奇模的端射輻射波束和偶模的橫向掃描波束。

圖12 波束重構天線

天線在7.37～8.33 GHz范圍內，端口1和2都具有12.23%的阻抗帶寬，且兩端口之間的隔離度為24.9 dB，通過切換天線的工作狀態，該天線可以在4.85 GHz下實現近84°波束切換，是WLAN和衛星通信應用的理想候選天線。但是此結構頻帶較窄，可以通過多端口的波導饋電加以改進，實現寬頻帶的可重構天線。

3.3 電控波束重構

在實際應用中，定頻波束重構天線一直是一個重要的研究熱點。一維法布里-珀羅漏波天線通過使用可調諧高阻抗表面[75-76]可實現定頻波束掃描，但是掃描角度范圍較小，只有21°左右。

人工表面等離激元和變容管的組合可以實現對天線表面阻抗的調控，進而實現定頻下的天線波束可重構。文獻[77]提出一種電控基于人工表面等離激元的固定頻率波束掃描的漏波天線，如圖13所示。通過改變人工表面等離激元結構溝槽深度對表面阻抗進行周期性調制，導波可轉換為具有頻率掃描特性的漏波輻射。此外，通過直流偏置電壓改變變容二極管的電容，可以重新調制天線的表面阻抗，從而使輻射光束以固定頻率在大角度范圍內轉向。仿真實測結果表明，改變直流偏置電壓0～20 V，可以控制輻射波束在5.5～5.8 GHz的頻率范圍內連續轉向，掃描角可達45°。

圖13 定頻波束掃描漏波天線

文獻[78]提出一種基于人工表面等離激元的雙頻固定頻率波束掃描漏波天線，如圖14所示。由電容器和變容二極管交替放置的均勻波紋狀微帶線，其單元在2個不同的頻帶上支持2種模式。在每個頻帶中，改變變容管的偏置電壓可以實現對微帶的表面特性阻抗的調控，以實現對波束的調控。在4.25 GHz和5.75 GHz下，通過改變偏置電壓從0～10 V，天線可調節的波束角度范圍為80°和22°。該天線具有低成本、低剖面、雙頻和多功能固定頻率掃描等優點，在雷達和衛星通信系統中具有潛在的應用前景。

圖14 電控雙頻波束可重構天線原理圖[78]

總的來說，得益于人工表面等離激元結構的慢波特性，可以為設計結構緊湊、超寬帶、廣角的波束掃描天線提供新的可能方案。由于人工表面等離激元傳輸奇偶模呈現的不同輻射特性，可外加控制電路實現波束切換的功能。此外，人工表面等離激元結構和變容管結合，可實現大掃描范圍的定頻波束掃描。

4 結語

針對傳統天線的一些痛點問題，例如小型化天線對材料過度依賴、高性能輻射和低RCS特性不可兼得、天線波束可重構方式少且范圍小等問題，本文詳細介紹了幾種具有代表性的人工表面等離激元天線賦能技術，包括基于人工表面等離激元的天線小型化技術、RCS抑制技術以及波束重構技術。由此可見，人工表面等離激元高相位常數特性可在常規材料上實現具有寬帶高輻射特性的天線，其靈活的色散特性可在不影響天線輻射性能的前提下減小天線的RCS。此外，人工表面等離激元的引入可以為實現結構緊湊，超寬帶，廣角的掃頻或定頻波束可重構天線提供新的可能方案。事實上，除本文著重介紹的3種天線賦能技術外，人工表面等離激元獨特而豐富的物理特性還可為天線賦予更多維度的新能力，從深度與廣度上進一步擴展天線的應用范圍。

同時也需要認識到，基于人工表面等離激元的天線賦能技術目前仍處于初級階段，尚存在包括以下方面在內的問題：①人工表面等離激元天線賦能技術的定量分析理論尚未成熟，其設計過程較多地依賴仿真軟件；②結構較為復雜，設計過程較為繁瑣，不便于科研與工程人員學習與應用；③人工表面等離激元技術在復雜甚至極端情境下工作的相關資料及數據不足，其在天線賦能方面的實用效果尚未被廣泛證明。