基于超表面的寬帶超低剖面折疊透射陣

鐘顯江 許河秀 侯建強 陳 蕾 肖秦琨

①(西安工業大學電子信息工程學院 西安 710021)

②(空軍工程大學防空反導學院 西安 710051)

③(西安電子科技大學天線與微波技術重點實驗室 西安 710071)

1 引言

現代無線通信技術的迅猛發展對天線性能的要求越來越高。從雷達、衛星通信、航天到大規模深空探索，通信距離越來越長，空間損耗也逐漸增大，因此對高增益天線的需求日益增加。透射陣天線[1–3]是一類將傳統介質透鏡天線和微帶陣列天線相關優點有機結合而形成的一種新型平面高增益天線，因其具有結構簡單、體積小、重量輕、易與載體表面共形、無需復雜饋電網絡和波束控制自由度大等優點，已成為雷達、衛星通信等領域替代介質透鏡天線和相控陣天線的新選擇，是近年來天線領域的研究熱點。電磁超表面[4–6]是一種厚度遠小于波長的平面人工電磁結構，由于可對電磁波振幅、相位、極化方式、傳播模式等特性進行靈活調控[7–9]，近年來受到國內外相關學者的廣泛關注，在高性能天線設計方面顯示了重要潛在應用價值。超表面的出現和發展也為高性能透射陣天線設計提供了新的方法和思路[10,11]。當前，基于超表面的透射陣天線已有一些初步應用。

傳統透射陣天線[12,13]主要由初級饋源和有限單元數量的透射陣表面構成。通常情況下，饋源通常置于透射陣上方的焦點處，透射陣天線的總高度主要取決于饋源與透射陣列之間的焦距。然而，傳統透射陣天線的焦徑比一般在0.5以上，因而導致天線的縱向高度過大，不利于與系統集成，因此傳統透射陣天線的應用受到限制。為降低透射陣天線的縱向剖面高度，折疊透射陣天線[14–17]應運而生。Ge等人[16]基于多次路徑折疊原理，將一種4 bit相位編碼單元用于折疊透射陣天線設計。其縱向剖面高度降至傳統透射陣天線的1/3，但其工作帶寬較窄，3 dB增益帶寬僅僅達到13.8%。為拓展天線工作帶寬，Li等人[17]提出一種折疊透射陣天線，其3 dB增益帶寬達到43.5%，但其縱向剖面高度同樣為傳統透射陣的1/3。因此，現有折疊透射陣天線的工作帶寬窄和剖面高度仍有很大提升空間。如何進一步提升折疊透射陣天線性能，如提升工作帶寬和進一步降低縱向剖面高度，仍然面臨嚴峻的挑戰。

本文提出了一種基于超表面的深度折疊透射陣天線設計方法。首先設計了一種集成透-反射超表面單元和一種反射型線極化轉換超表面單元，然后將該兩種超表面單元巧妙組合用于折疊透射陣設計，最后對天線進行了加工和實測。相比于現有折疊透射陣天線，該天線縱向剖面高度僅為傳統透射陣的1/4，同時其3 dB 增益帶寬達到19.6%(9.2～11.2 GHz)。

2 折疊天線工作原理分析

圖1給出了該折疊透射陣天線的結構和工作原理。由圖可知，該天線由上、下兩層功能不同的超表面和饋源等3部分構成。其中，上層超表面相當于主透射陣列，能夠對x極化入射波起反射作用，并將y極化入射波轉換為x極化透射波，同時實現對其透射相位的控制。下層超表面相當于副反射器，能夠將x(y)極化的入射波轉換為y(x)極化反射波。可以看出，首先饋源發射的x極化波入射到下層超表面被轉換為y極化反射波，然后y極化反射波入射到上層超表面再反射到下層超表面，之后再次被轉換為x極化波，最終x極化波穿過上層超表面后形成高增益平面波。為了達到與傳統透射陣天線相同的電性能，該天線鏡像饋源位置應該和傳統透射陣天線的虛焦點保持一致。可以看出，入射波在上下兩層超表面之間經歷了3次反射。根據射線追蹤原理可以得出

圖1 折疊透射陣天線結構與工作機理

從式(1)可以發現饋源與下層超表面之間的高度H可以減小到焦距F的1/4。因此，該折疊透射陣的剖面高度可以降至傳統透射陣的25%。

從上述分析可知，上層超表面需要實現反射x極化波以及透射y極化波并控制其相位等功能，下層超表面需要實現反射波的線極化轉換。所以，如何設計滿足特定功能要求的上、下層超表面，成為折疊透射陣天線設計的關鍵。

3 超表面單元設計與分析

3.1 集成透-反射超表面單元設計與分析

為了實現對x極化波的高效反射和對y極化波的高效透射，本文采用如圖2所示的集成透-反射結構作為集成透-反射超表面單元。在圖中，黃色部分為金屬，藍色部分為介質。該單元的尺寸為p=8 mm(10 GHz處0.27λ)，由上下2層厚度均為h=1.5 mm的介質板構成。介質板采用介電常數εr=2.65，損耗角正切δ=0.001的聚四氟乙烯玻璃布板。其中上層介質的上表面和下層介質下表面刻蝕有互相垂直的極化柵，兩層介質板中間層刻蝕有開口角度為2θ的圓環貼片。單元其他結構參數為r=3.7 mm，w=1.2 mm, w0=2.6 mm，d=2 mm。在商用軟件ANSYS HFSS中設置周期性邊界條件對該單元進行仿真分析。

圖2 集成透-反射超表面單元的結構圖

笛卡兒坐標系下，設定單元沿x軸和y軸方向無限延伸，入射電磁波沿z軸方向垂直照射到單元下表面。當入射波為x極化波時，Rxx代表從x極化到x極化的反射系數；當入射波為y極化波時，Txy代表從y極化到x極化的透射系數。圖3(a)–3(f)給出了單元在不同條件下Rxx和Txy的幅度和相位變化曲線。由圖3(a)，圖3(d)可知，在7～13 GHz范圍內，隨著中層圓環貼片半開口張角θ的增加，Rxx幅度和相位變化曲線保持重合，|Rxx|在–0.1 dB以上；與此同時，|Txy|基本保持在–2 dB以上，∠Txy變化曲線隨θ變化保持平行。由圖3(b)，圖3(e)可以看出，在中心頻率10 GHz處，隨著θ從5o變化到100o，|Rxx|依然保持在–0.1 dB以上，∠Rxx保持不變，|Txy|基本保持在–0.8 dB以上，∠Txy變化范圍在200o以上；將中間層圓環貼片開口方向順時針旋轉90o，在相同θ變化區間內，Rxx仍保持相同反射特性，而|Txy|依舊保持在–0.8 dB以上，∠Txy獲得了額外180o相位變化。從圖3(c)，圖3(f)可知，電磁波入射角度的變化對Rxx的幅值和相位影響很小，而隨著斜入射角度從0o變化到45o，|Txy|基本保持在–2 dB以上，∠Txy變化曲線基本保持平行；當斜入射角度增大到60o時，Txy幅度才出現劇烈變化。因此，該單元反、透射特性在斜入射角度0o～45o的范圍內變化不大。綜上，該單元對x極化波具有良好的反射特性，對y極化波具有良好的高效透射特性且能將其出射波極化方式轉換為x極化，同時通過改變圓環貼片的開口方向和半開口張角θ的大小可控制∠Txy，且∠Txy總的變化范圍在400o以上，且其反、透射性能在斜入射角度不超過45o的范圍內保持穩定。

圖3 集成透-反射超表面單元的反射系數和透射系數

為進一步分析該單元的工作機理，入射波沿+z軸垂直入射到單元的下表面，x極化波和y極化波入射下，分別對單元在中心頻率10GHz處的表面電流分布進行分析。由圖4(a)–圖4(c)可知，當x極化波入射時，單元下層極化柵阻擋電磁波通過。由于極化柵對電磁波的反射，僅在單元下表面激發了感應電流，而中層開口圓環貼片和上層極化柵的感應電流很弱。從圖4(d)–圖4(f)可知，當y極化波入射時，單元的下層極化柵能夠很好地透射電磁波，實現極化轉換，因此在中層開口圓環貼片和上層極化柵處激發出較強的感應電流，而下層極化柵感應電流非常微弱。以上結果表明單元在x極化波照射下具有良好的反射特性，在y極化波照射下具有良好的透射特性。

圖4 不同極化入射波照射下集成透-反射超表面單元在10 GHz處的各層表面電流分布

3.2 反射型線極化轉換超表面單元設計與分析

為了實現下層超表面單元的反射波極化旋轉，提出了一種如圖5所示的反射型線極化轉換超表面單元。該單元由厚度t=3 mm的單層聚四氟乙烯介質板(εr=2.65，δ=0.001)構成，其中介質板上表面刻蝕有45o對稱的雙L形金屬貼片，介質板下表面刻蝕金屬接地板。經過優化以后，單元的結構參數為：p0=8 mm，g=0.2 mm，w1=1.2 mm，L=4.6 mm。

圖5 反射型線極化轉換超表面單元示意圖

設置主從邊界和floquet端口激勵，對該單元反射特性進行仿真分析。定義入射電磁波為y極化波，沿-z軸方向照射到單元的上表面。圖6(a)–圖6(c)給出了單元的反射系數幅度和相位隨頻率變化的曲線。由圖6(a)可知，在7.7～12.2 GHz的頻帶范圍內，Rxy幅度基本保持在–1 dB以上，而Ryy幅值在–10 dB以下。由圖6(b)可知，在6～14 GHz內，Rxy與Ryy相位曲線基本平行，且二者的相位差基本維持在90o左右。因此，該單元可以實現較寬的頻帶內線極化轉換，能夠將y極化入射波高效轉換為x極化反射波。同樣，當入射電磁波為x極化波時，在相同頻帶內，能夠實現x極化入射波到y極化反射波的轉換。Rxy在入射電磁波不同入射角度下的頻率響應如圖6(c)所示。可以看出，在8～12 GHz內，隨著斜入射角度從0o變化到45o，|Rxy|保持在–1 dB以上，且∠Rxy隨頻率的變化曲線近似平行。直到斜入射角度增大到60o，|Rxy|出現明顯下降，∠Rxy曲線線性度明顯降低。所以，設計的單元可以在較大斜入射角度范圍內具有性能穩定性。

圖6 反射型線極化轉換超表面單元的反射系數

為進一步分析單元的極化旋轉特性，圖7給出了中心頻率10 GHz處不同極化入射波照射下單元雙L形金屬貼片的表面電流分布。由圖7(a)可知，當x極化波沿-z軸方向入射到單元上表面時，由于雙L形金屬貼片在y軸方向激發出較強的感應電流，且感應電流方向指向-y軸，可知x極化入射波將轉換為y極化反射波；同理，從圖7(b)可以看出，當y-極化波沿-z軸方向入射到單元時，雙L形金屬貼片在x軸方向激發較強的感應電流，且電流方向沿x軸，可知被轉換為x-極化反射波。綜上，該單元可以實現高效反射波線極化轉換。

圖7 不同極化入射波照射下的線極化轉換反射超表面單元在10GHz處的表面電流分布

4 超表面折疊透射陣天線設計與結果

4.1 超表面折疊透射陣天線設計與仿真結果

在3.1節提出的集成透-反射超表面單元Txy相位變化范圍在400o以上，以此為基礎設計聚焦超表面，能夠實現對透射波波前控制。為了形成高增益波束，超表面應滿足拋物面相位梯度分布，從而將球面入射波轉換為平面透射波。當饋源發出的入射波照射到超表面(如圖8所示)，超表面上第m行第n列的單元的透射相位可根據式(3)計算得到：

其中，k0代表自由空間中的波數，p代表單元的周期尺寸，F代表超表面的焦距。如果超表面不同位置的單元相位一旦確定，其中間層圓環貼片的開口方向和開口張角θ可通過圖3(e)確定。設計的聚焦超表面由23×23個單元組成，面積為184×184 mm2，相當于6.14λ0×6.14λ0(λ0為中心工作頻率10 GHz處的波長)。超表面的焦距F設置為101.2 mm，焦徑比F/D=0.55。最終，通過理論計算可以得到超表面的透射相位分布如圖8(b)所示，相應的單元分布如圖8(c)所示。

圖8 聚焦超表面的相位分布與單元分布

利用3.2節設計的反射型線極化轉換超表面單元，設計了一個由23×23個單元組成，面積為184×184 mm2的反射型線極化轉換超表面。在此基礎上，利用設計的聚焦超表面作為上層主透射陣，采用反射型線極化轉換超表面作為下層副反射面，并將饋源置于上層主透射陣中心位置，最終形成了如圖9所示的折疊透射陣天線。從圖中可以看出，該天線采用開口波導(工作頻率為8.2～12.4 GHz，增益7～8 dBi)作為饋源。該開口波導的口面尺寸為25.4×12.7 mm2，其伸出上層超表面的長度L=6.8 mm，入射波在上、下層超表面之間經歷了3次反射，最后穿過上層聚焦超表面并被糾正形成一致相位，最終形成高增益波束。由于饋源發出的入射波歷經3次反射和1次透射，上、下層超表面之間的高度H=(F+L)/4=27 mm，相當于10 GHz處的0.9λ0。

圖9 折疊透射陣天線模型

4.2 超表面折疊透射陣天線加工與測試結果

采用印刷電路板技術加工了兩種超表面陣列樣件。為了使饋源開口波導固定在集成透-反射超表面陣列中心位置，在其中心開鑿矩形通孔，如圖10(a)–圖10(c)所示。為便于集成，加工時拓展了兩種超表面邊界尺寸，并分別打有8個圓形通孔，通過尼龍螺絲、螺母和墊片固定。在此基礎上，嚴格控制兩種超表面陣列之間的高度，組成如圖10(d)所示的折疊透射陣天線樣件。

圖10 折疊透射陣天線實物圖

在微波暗室中對天線樣件的輻射方向圖和增益進行測試，并利用矢量網絡分析儀對天線反射系數進行測試。圖11給出了該天線在不同頻率處的xoz面與yoz面仿真和實測方向圖對比。可以看出，在9.5～10.5 GHz內，該天線的實測和仿真結果吻合良好，且輻射方向圖具有較好的一致性。其中，最大輻射方向上的交叉極化電平均在–15 dB以下，副瓣電平均在–10 dB以下。該天線增益和口徑效率隨頻率變化的曲線如圖12(a)所示。可以看出，仿真和測試結果吻合良好，驗證了設計的正確性。該天線3dB增益帶寬達到19.6%(9.2～11.2 GHz)，且在9.6 GHz處其增益和口徑利用效率達到最大，分別為21 dBi和30%。圖12(b)給出了天線S11隨頻率的變化曲線。由圖可知，該天線S11實測值低于仿真值，在8～11.6 GHz的范圍內低于–10 dB。需要說明的是，該天線峰值增益出現的頻率偏移中心工作頻率0.4 GHz，主要由加工誤差和超表面的相位補償誤差引起。

圖11 折疊透射陣天線在不同頻率處xoz面和yoz面的輻射方向圖

圖12 折疊透射陣天線性能隨頻率的變化曲線

為進一步驗證該天線的性能優勢，表1列出了部分參考文獻與本文折疊透射陣天線的性能對比結果。可以看出，與文獻[15–17]提出的折疊透射陣天線相比，本文提出的折疊透射陣天線剖面高度最小。同時，本文提出天線的3 dB增益帶寬、峰值口徑效率明顯優于文獻[15–17]。綜上，本文設計天線具有更低的剖面高度，同時在較寬頻帶內實現了高增益輻射。

表1 本文折疊透射陣天線與部分參考文獻性能比較圖

5 結論

本文設計了一種能夠反射x極化波和透射y極化波的集成透-反射超表面，以及一種可以實現寬頻帶內交叉線極化轉換的反射型線極化轉換超表面，分別將這兩種超表面作為主透射陣列和副反射器，以開口波導天線作為饋源，得到了一種新型折疊透射陣天線，有效實現了更低的剖面高度和高增益輻射特性。為驗證設計的有效性，采用印刷電路板技術加工了折疊透射陣天線樣件，并在微波暗室對該天線的輻射性能進行了測試，實測結果和仿真結果基本一致。與傳統透射陣天線相比，本文設計的折疊透射陣天線剖面高度降低了近3/4，同時實現了較寬頻帶內的高增益，在現代雷達、衛星等遠程通信系統中具有廣闊應用前景和潛在應用價值。