雋月 車文荃 楊琬琛

摘要 本文對(duì)容性支節(jié)加載的小型化超表面天線進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì).通過在方形貼片上引入一對(duì)容性負(fù)載支節(jié)，可以有效地降低超表面單元的工作頻率，從而將傳統(tǒng)方形貼片超表面單元的尺寸減小55%.在單元設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款4×4陣列的超表面天線，并采用特征模分析（CMA）解釋了超表面天線的輻射機(jī)制.為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)思路，對(duì)天線進(jìn)行了加工和測試，測量的-10 dB阻抗帶寬為21.7%，并在工作頻帶內(nèi)保持6 dBi的輻射增益.

關(guān)鍵詞超表面;小型化天線;容性加載;特征模分析

中圖分類號(hào)TN820

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

0?引言

近年來，超表面天線因其高增益和寬帶等優(yōu)點(diǎn)引起了廣泛的關(guān)注.文獻(xiàn)[1]詳細(xì)比較了超表面天線和貼片天線的性能，與傳統(tǒng)的貼片天線相比，超表面天線在增益和帶寬方面都具有明顯的優(yōu)勢.但是，超表面天線的整體尺寸通常大于傳統(tǒng)的貼片天線，這導(dǎo)致了超表面天線在陣列設(shè)計(jì)和集成上存在一定的困難.因此，在保持高性能的同時(shí)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊且低剖面的超表面天線十分必要.

傳統(tǒng)超材料天線通常作為反射板[2-3]，但超表面天線則是將超材料結(jié)構(gòu)作為輻射體.文獻(xiàn)[4]中將4×4的正方形貼片超材料結(jié)構(gòu)作為輻射單元，并采用縫隙進(jìn)行饋電.比較發(fā)現(xiàn)，提出的新型超表面天線的|S11|低于-10 dB的工作帶寬為28%，且?guī)?nèi)增益都均超過了6 dBi，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)貼片天線.這是由于超表面天線的面積幾乎充滿了整個(gè)輻射口徑，從而提高了天線的增益.但是超表面陣面尺寸為0.73λ0×0.73λ0×0.06λ0，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)貼片天線的0.5λ0×0.5λ0.為了減小陣面的尺寸，文獻(xiàn)[1]提出了采用工字形單元結(jié)構(gòu)代替方形貼片單元來減小天線尺寸，2×2陣列的尺寸可以減小為0.4λ0×0.37λ0×0.05λ0，但是天線帶寬降低到13%且增益減小到6.1～7.8 dBi.文獻(xiàn)[5]提出了采用雙層超表面的結(jié)構(gòu)來減小天線尺寸，天線上層為2×2大方形貼片陣列，下層為6×6小方形貼片陣列，通過雙層結(jié)構(gòu)陣面尺寸可以減小為0.46λ0×0.46λ0×0.06λ0，天線帶寬仍可保持27.4%，增益減小到6.5～7.6 dBi.但是該天線加上饋電結(jié)構(gòu)一共有3層，大大增加了天線的復(fù)雜度.

為了解決尺寸過大問題，本文提出了一種新型的通過支節(jié)加載的小型化超表面天線.采用單層超表面結(jié)構(gòu)，通過在方形貼片上加載支節(jié)，引入寄生電容，使得天線的工作頻率可以通過條帶插入深度的改變來進(jìn)行調(diào)節(jié).插入越深，工作頻率越低，則天線電尺寸越小，最終4×4超表面陣面的尺寸可以減小到0.49λ0×0.49λ0×0.044λ0.天線樣品測量的-10 dB阻抗帶寬為21.7%，并且在整個(gè)工作頻帶內(nèi)可以保持6 dBi的輻射增益.

1?小型化超表面單元理論分析

圖1a所示為傳統(tǒng)的方形貼片的超表面單元[4]，超表面單元尺寸0.183λ0×183λ0×0.047λ0，該尺寸較大且不利于天線陣列的設(shè)計(jì).本文通過引入支節(jié)增加等效電容的方法，來降低天線的諧振頻率，進(jìn)而減小超表面單元的電尺寸.在圖1a所示的超表面單元的基礎(chǔ)上，沿著x，y方向同時(shí)加載金屬條帶1和2，如圖1b所示.為了保持單元結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，支節(jié)1和2的尺寸需保持相同.

作為一個(gè)周期結(jié)構(gòu)，通常采用周期邊界來對(duì)超表面單元進(jìn)行分析，并通過零反射相位點(diǎn)來表征超表面單元的工作頻點(diǎn)[6-7].圖2給出了金屬條帶1和2的長度L1對(duì)超表面單元反射相位的影響.當(dāng)L1由1 mm增長為4.4 mm時(shí)，超表面單元所對(duì)應(yīng)的零反射相位點(diǎn)的工作頻率從4 GHz下降至3.2 GHz.因?yàn)橐氲牡刃щ娙蓦S條帶長度的增加而增加，超表面單元的工作頻率也隨之降低，故此起到減小超表面單元電尺寸的作用.當(dāng)插入深度達(dá)到4.4 mm，超表面單元的尺寸可以減小為0.112λ0×112λ0×0.035λ0，比經(jīng)典方形貼片的尺寸減小62%.研究表明，支節(jié)和貼片之間的縫隙s和支節(jié)寬度W1對(duì)于超表面單元的工作頻率影響很小，因此主要是通過插入支節(jié)的深度來調(diào)節(jié)天線的工作頻率.

2?小型化超表面陣列特征模分析

由上述分析可知，可以通過金屬條帶的加載，得到尺寸僅為0.112λ0×112λ0×0.035λ0的小型化超表面單元，在此單元的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一個(gè)4×4的超表面陣列作為天線輻射單元，如圖3a所示.為了進(jìn)一步分析所提出的超表面陣列，通過特征模分析（CMA）的方法對(duì)該超表面結(jié)構(gòu)的固有模式進(jìn)行分析[8-9].超表面結(jié)構(gòu)固有的模式可以通過仿真軟件CST MWS中集成的CMA工具進(jìn)行分析，CST中的邊界條件如圖3b所示[10].

選取3.5 GHz為工作頻率，該超表面陣列前6種特征模式（模式1—模式6）的模式強(qiáng)度如圖4所示.這6種模式雖然工作在不同的頻帶下，但是具有相似的變化趨勢，每個(gè)模式在工作頻率下對(duì)應(yīng)的表面電流分布和輻射方向圖如圖5和6所示.

如圖5所示，這6種特征模式（模式1—模式6）在超表面的電流分布用黑色箭頭標(biāo)出，分別標(biāo)記為J1～J6.模式1和模式2對(duì)應(yīng)的表面電流分布J1和J2在每個(gè)單元上的電流都保持方向相同，因此J1和J2的電流分布對(duì)應(yīng)的模式可以激勵(lì)出沿z軸的輻射方向圖，如圖6a和6b所示.而如圖5c—5f所示，模式3表面電流分布J3在平面上呈中心對(duì)稱，模式4和5的表面電流分布J4和J5在平面上沿對(duì)角線軸對(duì)稱，模式6的表面電流分布J6在平面上沿y軸對(duì)稱.由于J3～J6在超表面上的電流分布沿中心線呈反向的狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生抵消作用，所以J3～J6對(duì)應(yīng)模式下的輻射方向圖在z方向上會(huì)出現(xiàn)凹點(diǎn)，如圖6c—6f所示.因此J1和J2所激勵(lì)的模式1和模式2是期望的主工作模式，而J3～J6所激勵(lì)的模式3—模式6是需要抑制的高階模式.

基于上述超表面單元的參數(shù)分析，超表面單元的寬度W0和單元之間的間隙g決定了天線的初始諧振頻率.隨著W0的增加或間隙寬度g的減小，天線的工作頻率降低，軸比帶寬增加.通過仿真優(yōu)化，本節(jié)將選取超表面單元的寬度W0=10 mm，間隙g=0.5 mm.在保持單元寬度W0和單元間隙g不變的情況下，支節(jié)插入深度L1變化對(duì)天線性能的影響也可以通過CMA的方法進(jìn)行分析.圖7給出了支節(jié)插入深度L1對(duì)超表面陣列模式1和模式2模式強(qiáng)度的影響.當(dāng)L1從2 mm增加到4.4 mm時(shí)，由于引入電容的增加，模式1和模式2的諧振頻率都從4.71 GHz下降到3.7 GHz，頻率的降低也就意味著表面陣列尺寸的減小.但模式1和模式2的帶寬均隨著頻率的降低而變窄.此外，也對(duì)未加載條帶的超表面陣列進(jìn)行了比較.加載條帶之后，表面陣列的工作頻率可以從5.3 GHz降低到3.7 GHz，即超表面陣列的尺寸可以從0.71λ0×0.71λ0×0.056λ0減小為0.51λ0×0.51λ0×0.04λ0.

綜上所述，天線的工作頻率可以通過改變條帶插入深度L1進(jìn)行調(diào)節(jié)，長度越長，工作頻率越低，天線電尺寸越小.

3?小型化超表面天線設(shè)計(jì)

由分析可知，只有在超表面陣列上激勵(lì)起模式1或者模式2時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)定向輻射的特性.如圖8所示，本文提出了一個(gè)由2層介質(zhì)基板組成的超表面天線，2層基板為羅杰斯4003C（節(jié)點(diǎn)常數(shù)為3.55），厚度分別為h1和h2.上基板表面為4×4小型化超表面陣列用作天線的輻射單元，而金屬地板放置在上下介質(zhì)層之間.為了激勵(lì)起這2個(gè)模式中的一個(gè)，通過在金屬地的中心沿y軸方向蝕刻一條長度為Ls和寬度為Ws的縫隙給上層超表面進(jìn)行饋電，并且在下基板的底部印刷具有終端開路結(jié)構(gòu)的50 Ω微帶線作為饋電線.根據(jù)以上分析和仿真優(yōu)化，天線其他尺寸的取值如表1中所示.

根據(jù)表1給出的設(shè)計(jì)參數(shù)，使用HFSS軟件仿真即可得到所提出的天線的反射系數(shù)和增益特性.如圖9所示，天線的-10 dB帶寬為17.4%（3.21～3.82 GHz），完全覆蓋了針對(duì)5G通信的3.5 GHz頻帶，并且在此帶寬內(nèi)天線的增益為6.15～7.69 dBi.此外，該天線的陣面尺寸僅有0.49λ0×0.49λ0×0.044λ0（3.5 GHz處），是沒有引入條帶加載的正方形超表面陣列[4]的45%（5.5 GHz處尺寸為0.73λ0×0.73λ0×0.06λ0），因此天線尺寸顯著減小.

4?仿真結(jié)果與性能比較

為了驗(yàn)證所提出天線的可行性與性能，對(duì)圖8中的條帶加載型小型化超表面天線進(jìn)行加工，實(shí)物圖如圖10a所示，用50 Ω的SMA射頻轉(zhuǎn)接頭作為同軸饋電端.該天線的反射系數(shù)|S11|是用羅德施瓦茨（ROHDE&SCHWARZ）公司的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）測量的，而天線的增益和方向圖等輻射特性的測試工作是在香港城市大學(xué)的Satimo近場暗室里完成的，如圖10b所示.

實(shí)測的|S11|、增益和方向圖及仿真結(jié)果如圖11所示.實(shí)測得到的-10 dB阻抗帶寬為21.7%（3.18～3.94 GHz），與仿真結(jié)果相比，在高頻處產(chǎn)生了0.12 GHz的上移，在匹配帶寬范圍內(nèi)，測量的增益在6 dBi和6.92 dBi之間變化，比仿真結(jié)果（6.15～7.69 dBi）降低了0.77 dBi.這個(gè)差值可能是因?yàn)閷?shí)際的介質(zhì)基板的介質(zhì)損耗角與設(shè)計(jì)值存在偏差，或者是測量過程中用于連接天線與測試設(shè)備的同軸電纜的損耗所導(dǎo)致的，可以忽略.同時(shí)，天線的交叉極化增益保持低于-25 dB，表明該天線具有良好的交叉極化性能.圖11c和11d分別給出了3.5 GHz處E平面和H平面的方向圖.由圖11可見，天線的仿真與實(shí)測結(jié)果只有在背瓣處有一點(diǎn)偏差.因此，該天線的實(shí)測結(jié)果和仿真結(jié)果基本保持一致.

5?結(jié)束語

本文提出了一種新型的支節(jié)加載小型化低剖面超表面天線，通過在方形貼片上加載支節(jié)的方式引入寄生電容，改變支節(jié)的插入深度來調(diào)整和減小超表面陣面的大小.測量結(jié)果表明，天線的-10 dB阻抗帶寬達(dá)到21.7%，并在工作頻帶內(nèi)保持6 dBi的輻射增益.此外，超表面陣面的尺寸僅有0.49λ0×0.49λ0×0.044λ0，比傳統(tǒng)的方形貼片超表面天線減小了55%.

參考文獻(xiàn)References

[1]?Liu W，Chen Z N，Qing X.Miniaturized broadband metasurface antenna using stepped impedance resonators[C]∥Antennas & Propagation.IEEE，2016：365-366

[2]?Yang F，Rahmat-Samii Y.Reflection phase characterizations of the EBG ground plane for low profile wire antennaapplications[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2003，51（10）：2691-2703

[3]?楊琬琛，車文荃，陳東旭，等.基于新型超材料結(jié)構(gòu)的高效率發(fā)射天線技術(shù)研究綜述[J].南京信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，9（1）：54-63

YANG Wanchen，CHE Wenquan，CHEN Dongxu，et al.Investigations of high-efficiency transmitting antennas based on novel metamaterial structures[J].Journal of Nanjing University of Information Science and Technology（Natural Science Edition），2017，9（1）：54-63

[4]?Liu W，Chen Z N，Qing X M.Metamaterial-based low-profile broadband aperture-coupled grid-slotted patch antenna[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2015，63（7）：3325-332

[5]?Liu W E I，Chen Z N，Qing X M，et al.Miniaturized wideband metasurface antennas[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2017，65（12）：7345-7349

[6]?Liu Y，Luk K M，Yin H C.Bowtie patch antenna with electric dipole on a HIS substrate[C]∥International Conference on Microwave & Millimeter Wave Technology.IEEE，2010：278-280

[7]?Yue T W，Jiang Z H，Werner D H.Compact，wideband antennas enabled by interdigitated capacitor-loaded metasurfaces[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2016，64（5）：1595-1606

[8]?Chen Y K，Wang C F.Characteristic-mode-based improvement of circularly polarized U-slot and E-shaped patch antennas[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2012，11：1474-1477

[9]?Lin F H，Chen Z N.A method of suppressing higher order modes for improving radiation performance of metasurface multiport antennas using characteristic mode analysis[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2018，66（4）：1894-1902

[10]?Lin F H，Chen Z N.Low-profile wideband metasurface antennas using characteristic mode analysis[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2017，65（4）：1706-1713