摘要：頻率可重構(gòu)天線可以降低通信平臺(tái)中天線的數(shù)量，減少通信系統(tǒng)之間的電磁干擾。電控方式的頻率可重構(gòu)天線需要引入偏置電路，會(huì)對(duì)天線性能造成影響，本文提出了一種機(jī)械方式的頻率可重構(gòu)縫隙天線。天線由等腰梯形單元周期排列組成的超表面和縫隙天線兩部分組成，在縫隙天線的接地板上刻蝕六邊形槽展寬阻抗帶寬，通過機(jī)械旋轉(zhuǎn)超表面改變其等效相對(duì)介電常數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)頻率可重構(gòu)。仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明，天線在54.3%（2.32GHz～4.05 GHz）頻段內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)工作帶寬的切換，整個(gè)工作頻段內(nèi)具有較好的輻射特性，峰值增益達(dá)到5.5 dBi。

關(guān)鍵詞：頻率可重構(gòu)；超表面；超表面天線；縫隙天線

中圖分類號(hào)：TN822+.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：0253-2395（2024）05-1048-06

0 引言

隨著通信技術(shù)迅猛發(fā)展，同一載體搭建多個(gè)系統(tǒng)的情況日漸增多，天線作為系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，數(shù)量也隨之增加，這將導(dǎo)致系統(tǒng)的體積增大，電磁干擾加?。?］?？芍貥?gòu)天線［2］的提出有效地緩解了這些問題，大大降低了天線的數(shù)量和成本，減少了電磁干擾?？芍貥?gòu)天線可以分為頻率［3-4］、極化［5-6］、方向圖［7］和混合［8］可重構(gòu)天線。

超表面是一種特殊的電磁超材料，由于其良好的電磁調(diào)控特性已被廣泛應(yīng)用于天線設(shè)計(jì)［9］。利用超表面實(shí)現(xiàn)頻率可重構(gòu)主要有電控［10-12］和機(jī)械［13-17］兩種方式。Cai 等［10］和Ledi?mo 等［11］將變?nèi)荻O管加載在以矩形貼片或環(huán)形諧振器為單元的超表面上，通過改變二極管的電容值實(shí)現(xiàn)單頻和雙頻可重構(gòu)。Li 等［12］通過改變矩形貼片單元間二氧化釩薄膜的導(dǎo)電狀態(tài)實(shí)現(xiàn)頻率可重構(gòu)，天線兩個(gè)頻段的工作帶寬分別為2.5% 和4.3%。采用電控方式實(shí)現(xiàn)頻率可重構(gòu)雖有調(diào)節(jié)速度快的優(yōu)點(diǎn)，但引入的電子器件和偏置電路會(huì)對(duì)天線的性能產(chǎn)生影響，機(jī)械方式操作更加簡(jiǎn)單且無須引入電子器件。Zhang 等［13］通過旋轉(zhuǎn)以彎折線為單元的超表面實(shí)現(xiàn)雙頻可重構(gòu)，天線的工作帶寬為17.6%、14.7%。通過采用較大長(zhǎng)寬比的超表面單元，可以增大等效相對(duì)介電常數(shù)的變化范圍，進(jìn)而擴(kuò)展頻率可重構(gòu)的范圍，文獻(xiàn)［14-16］通過機(jī)械旋轉(zhuǎn)以彎折線、矩形環(huán)或三角形環(huán)為單元的超表面實(shí)現(xiàn)頻率可重構(gòu)，天線的工作帶寬分別為28.6%、35.5% 和42%。Majumder 等［17］采用共面波導(dǎo)饋電方式進(jìn)一步擴(kuò)展了頻率可調(diào)的范圍，通過旋轉(zhuǎn)以I 型條帶為單元的雙層超表面實(shí)現(xiàn)了頻率可重構(gòu)，天線的工作帶寬為43.7%。上述天線頻率可調(diào)的范圍均小于44%，本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)是一種頻率可調(diào)范圍大于50% 的可重構(gòu)天線。

本文設(shè)計(jì)了一種基于超表面的頻率可重構(gòu)天線，采用寬縫隙天線激勵(lì)超表面，在縫隙天線上方高度為1 mm 處加載以等腰梯形為單元的超表面，通過機(jī)械旋轉(zhuǎn)超表面可以在3 GHz左右實(shí)現(xiàn)頻率可重構(gòu)。天線的工作帶寬為54.3%（2.32 GHz～4.05 GHz），輻射性能較好。

1 天線設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由超表面和縫隙天線兩部分組成。超表面印刷在上層介質(zhì)板，縫隙天線印刷在下層介質(zhì)板，均采用FR4，兩層介質(zhì)基板間的空氣層為h=1 mm。超表面由較大長(zhǎng)寬比的等腰梯形單元周期排列組成，縫隙天線的接地板刻蝕六邊形槽擴(kuò)展天線的帶寬，階梯型微帶饋線改善天線的阻抗匹配。仿真優(yōu)化后的參數(shù)如表1 所示。

2 天線工作原理

超表面由等腰梯形單元周期排列組成，其電磁特性可以通過超表面單元的周期邊界模擬。超表面單元的CST（Computer SimulationTechnology）仿真模型如圖2 所示，單元四周設(shè)置為主從邊界條件模擬周期邊界，垂直于z 軸的平面設(shè)置為Floquet 端口，當(dāng)y 極化波入射時(shí)，超表面被激勵(lì)，可以得到無限表面的S 參數(shù)，等效阻抗Z 和折射率n 可由公式（1）― 式（2）計(jì)算。

其中X = 1/ [ 2S21 （1 - S112 + S212 ） ]，k0 為波數(shù)，H 為介質(zhì)基板厚度。通過散射參數(shù)逆推法計(jì)算等效相對(duì)介電常數(shù)εeff = n/Z 和等效相對(duì)磁導(dǎo)率μeff = nZ［18］。圖3 為超表面單元旋轉(zhuǎn)不同角度時(shí)的電磁特性，結(jié)果表明隨著旋轉(zhuǎn)角度的增大，ε eff 明顯減小，μeff 基本不變。由此可見，機(jī)械旋轉(zhuǎn)超表面可以改變其等效相對(duì)介電常數(shù)。

為了說明天線實(shí)現(xiàn)頻率可重構(gòu)的工作原理，研究了在縫隙天線上方加載可變介電常數(shù)基板的情況，仿真發(fā)現(xiàn)天線的諧振頻率隨著覆層基板相對(duì)介電常數(shù)的減小而提高。通過在縫隙天線及超表面設(shè)置定位孔，由塑料螺釘固定不同角度的定位孔實(shí)現(xiàn)超表面的機(jī)械旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而改變其等效相對(duì)介電常數(shù)，等同于改變覆層基板的相對(duì)介電常數(shù)，因此旋轉(zhuǎn)超表面可以改變天線的諧振頻率。圖4 展示了天線在不同超表面旋轉(zhuǎn)角度時(shí)的S 參數(shù)，從圖中可以看出隨著旋轉(zhuǎn)角度由0°增大到80°，天線的諧振頻率從2.48 GHz 變化到3.6 GHz。此外，隨著旋轉(zhuǎn)角度的增大，第一諧振頻率右移，而第二諧振頻率左移，當(dāng)θR=80° 時(shí)，兩個(gè)諧振頻率靠近出現(xiàn)雙諧振特性。

3 敏感性分析

通過對(duì)天線進(jìn)行敏感性分析，發(fā)現(xiàn)超表面單元高度p3、空氣層高度h 以及縫隙天線長(zhǎng)度ls對(duì)天線性能影響較大。此處以θR=0°時(shí)為例。

圖5 給出p3 對(duì)天線S 參數(shù)的影響，隨著p3 由10 mm 變?yōu)?4 mm，諧振頻率向低頻偏移，當(dāng)p3=12 mm 時(shí)，帶寬為2.32 GHz～2.69 GHz，滿足所需頻段要求。圖6 為h 對(duì)天線S 參數(shù)的影響，隨著h 由0.5 mm 變?yōu)?.5 mm，諧振頻率向高頻偏移，當(dāng)h=1 mm 時(shí)，滿足所需頻段要求。圖7給出ls 對(duì)天線S 參數(shù)的影響，隨著ls 由24.5 mm變?yōu)?8.5 mm，諧振頻率向低頻偏移，當(dāng)ls=26.5 mm 時(shí)，滿足所需頻段要求。

4 仿真與測(cè)量結(jié)果

天線印刷在FR4 介質(zhì)基板上，圖8 為天線的實(shí)物圖。使用天線測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量天線的S 參數(shù)和輻射方向圖。

圖9 為天線仿真和測(cè)量的S 參數(shù)曲線，由圖可知，仿真與測(cè)量結(jié)果基本保持一致。當(dāng)θR=0°時(shí)，天線仿真和測(cè)試的阻抗帶寬分別為2.32GHz～2.69 GHz（14.8%）和2.22 GHz～2.6 GHz（15.8%）；當(dāng)θR=57°時(shí)，天線仿真和測(cè)試的阻抗帶寬分別為2.6 GHz～3.1 GHz（17.5%）和2.6 GHz～3.17 GHz（19.8%）；當(dāng)θR=80°時(shí)，天線仿真和測(cè)試的阻抗帶寬分別為3 GHz～4.05 GHz（29.8%）和3.03 GHz～3.85 GHz（23.8%）。由于加工以及測(cè)量的誤差，測(cè)量的阻抗帶寬略向低頻偏移。

圖10 給出了天線的歸一化輻射方向圖，天線在三種角度下的輻射模式基本相似。仿真和測(cè)量的結(jié)果基本保持一致。當(dāng)θR 不為0°時(shí)，超表面關(guān)于y 軸不再對(duì)稱，交叉極化惡化。圖11給出頻率可重構(gòu)天線在三種角度下的仿真和測(cè)量的增益曲線。由圖可知，在2.32 GHz～4.05 GHz 頻段內(nèi)天線測(cè)量和仿真結(jié)果的整體趨勢(shì)大致相同，由于介質(zhì)損耗以及板材介電常數(shù)的偏差使得測(cè)量值低于仿真值。

表2 給出了本文天線和文獻(xiàn)中頻率可重構(gòu)天線的性能比較。由表可知，本文天線具有最寬的頻率可調(diào)范圍。與文獻(xiàn)［13-14］、［17］相比，本文天線尺寸較小，與小尺寸天線［15-16］相比，本文天線的工作帶寬分別提高了18.8% 和12.3%；除采用羅杰斯板材的文獻(xiàn)［17］外，本文天線有較高的峰值增益。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于超表面的頻率可重構(gòu)縫隙天線。較大長(zhǎng)寬比的等腰梯形超表面單元增大了超表面等效相對(duì)介電常數(shù)的變化范圍，采用寬縫隙天線激勵(lì)超表面實(shí)現(xiàn)了寬頻可調(diào)。通過分析在縫隙天線上方加載可變介電常數(shù)基板，說明了機(jī)械旋轉(zhuǎn)超表面可以實(shí)現(xiàn)天線頻率的可重構(gòu)。仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明，天線的頻率可調(diào)范圍大于50%，具有良好的可重構(gòu)性能。該天線可重構(gòu)方式簡(jiǎn)單，易于加工，成本較低，可以應(yīng)用于WLAN （2.42 GHz～2.4835 GHz）和WiMax（2.5 GHz～3.69 GHz）等無線通信系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李嘉麟. 淺談天線在5G中的發(fā)展與應(yīng)用[J]. 中國(guó)新通信， 2019， 21（3）： 134-135.

LI J L. Application and Challenge of Large-scaleAntenna in 5G[J]. China New Commun， 2019， 21（3）：134-135.

[2] 王安國(guó)， 張佳杰， 王鵬， 等. 可重構(gòu)天線的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào)， 2008， 23（5）： 997-1002. DOI：10.3969/j.issn.1005-0388.2008.05.039.

WANG A G， ZHANG J J， WANG P， et al. RecentResearch and Developing Trends of ReconfigurableAntennas[J]. Chin J Radio Sci， 2008， 23（5）： 997-1002.DOI： 10.3969/j.issn.1005-0388.2008.05.039.

[3] HUSSAIN N， GHAFFAR A， NAQVI S I， et al. A ConformalFrequency Reconfigurable Antenna with Multibandand Wideband Characteristics[J]. Sensors， 2022， 22（7）： 2601. DOI： 10.3390/s22072601.

[4] YUAN Y J， SUN X H， ZHANG Y P， et al. Design of FrequencyReconfigurable Antenna Based on Metasurface[C]//2021 7th International Conference on Computer andCommunications （ICCC）. Chengdu： IEEE， 2021： 2165-2169. DOI： 10.1109/ICCC54389.2021.9674400.

[5] ZHANG X， CHEN C， JIANG S， et al. A High-gain PolarizationReconfigurable Antenna Using Polarization ConversionMetasurface[J]. Prog Electromagn Res C， 2020，105： 1-10. DOI： 10.2528/pierc20052001.

[6] ZHU H L， CHEUNG S W， LIU X H， et al. Design of PolarizationReconfigurable Antenna Using Metasurface[J].IEEE Trans Antennas Propag， 2014， 62（6）： 2891-2898.DOI： 10.1109/TAP.2014.2310209.

[7] JANAPALA D K， CASPE F S， MOSES N. MetasurfaceBased Pattern Reconfigurable Antenna for 2.45 GHzISM Band Applications[J]. Int J RF Microw ComputAided Eng， 2019， 29（12）： e22007. DOI： 10.1002/mmce.22007.

[8] NI C， CHEN M S， ZHANG Z X， et al. Design ofFrequency-and Polarization-reconfigurable AntennaBased on the Polarization Conversion Metasurface[J].IEEE Antennas Wirel Propag Lett， 2018， 17（1）： 78-81.DOI： 10.1109/LAWP.2017.2775444.

[9] 王軍會(huì). 超表面調(diào)制天線的國(guó)內(nèi)外最新進(jìn)展[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào)， 2021， 36（4）： 498-510. DOI： 10.13443/j.cjors.2020042101.

WANG J H. The Latest Development of the ModulatedMetasurface Antenna[J]. Chin J Radio Sci， 2021， 36（4）498-510. DOI： 10.13443/j.cjors.2020042101.

[10] CAI Y M， YIN Y Z， LI K. A Low-profile FrequencyReconfigurable Metasurface Patch Antenna[C]//2017IEEE International Symposium on Antennas andPropagation amp; USNC/URSI National Radio ScienceMeeting. San Diego： IEEE， 2017： 1375-1376. DOI：10.1109/APUSNCURSINRSM.2017.8072730.

[11] LEDIMO B K， MOARO P， RAMOGOMANA R， et al.Design Procedure of a Frequency Reconfigurable MetasurfaceAntenna at mm Wave Band[J]. Telecom， 2022， 3（2）： 379-395. DOI： 10.3390/telecom3020020.

[12] LI J H， YANG W C， CHEN D X， et al. Millimeter-waveFrequency Reconfigurable Antenna Using Simple VO2-Based Paired Metasurface[J]. Int J RF Microw ComputAided Eng， 2022， 32（12）： e23454. DOI： 10.1002/mmce.23454.

[13] ZHANG H， JIAO Y C， WANG R Q. Dual-band FrequencyreconfigurableAntenna with Meandered-line-basedMetasurfaces[C]//2017 Sixth Asia-Pacific Conference onAntennas and Propagation （APCAP）. Xi'an： IEEE， 2017：1-3. DOI： 10.1109/apcap.2017.8420864.

[14] CHATTERJEE J， MOHAN A， DIXIT V. A Novel FrequencyReconfigurable Slot Antenna Using Metasurface[C]//2018 IEEE Indian Conference on Antennas andPropogation （InCAP）. Hyderabad： IEEE， 2019： 1-4. DOI：10.1109/INCAP.2018.8770888.

[15] ZHU H L， CHEUNG S W， YUK T I. FrequencyreconfigurableSlot Antenna with Wide-tuning RangeUsing Metasurface[J]. Microw Opt Technol Lett， 2015，57（6）： 1475-1481. DOI： 10.1002/mop.29116.

[16] MA W D， WANG G M， ZONG B F， et al. MechanicallyReconfigurable Antenna Based on Novel Metasurfacefor Frequency Tuning-range Improvement[C]//2016IEEE International Conference on Microwave and MillimeterWave Technology （ICMMT）. Beijing： IEEE，2016： 629-631. DOI： 10.1109/ICMMT.2016.7762390.

[17] MAJUMDER B， KRISHNAMOORTHY K， MUKHERJEEJ， et al. Frequency-reconfigurable Slot Antenna Enabledby Thin Anisotropic Double Layer Metasurfaces[J]. IEEE Trans Antennas Propag， 2016， 64（4）： 1218-1225. DOI： 10.1109/TAP.2016.2526081.

[18] SZABó Z， PARK G H， HEDGE R， et al. A UniqueExtraction of Metamaterial Parameters Based onKramers-Kronig Relationship[J]. IEEE Trans MicrowTheory Tech， 2010， 58（10）： 2646-2653. DOI： 10.1109/TMTT.2010.2065310.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（62071282）；山西省自然科學(xué)基金（201901D111026）