基于超表面的宽带低剖面圆极化天线设计

谢　开，高　军，曹祥玉，高宽亮

(空军工程大学 信息与导航学院，　西安 710077)



·天馈伺系统·

基于超表面的宽带低剖面圆极化天线设计

谢开，高军，曹祥玉，高宽亮

(空军工程大学 信息与导航学院，西安 710077)

设计并制备了一种基于超表面的宽带低剖面圆极化天线。该天线由上下两层构成，下层是传统的线极化缝隙微带天线，上层是由方形切角单元构成的超表面。分析了超表面将线极化波转换成圆极化波的工作原理，并对影响天线圆极化带宽的参数进行了优化。仿真结果表明：加载超表面后，不仅使天线辐射圆极化波，还扩展了天线的阻抗带宽，天线相对阻抗带宽达到17%，3 dB轴比带宽达到7.2%。为了验证设计的有效性，加工、测试了天线实物样品，并与仿真结果进行了对比。实测结果与仿真结果吻合较好，说明该天线具备宽带圆极化特性。最终天线整体尺寸仅为0.4λ×0.4λ×0.03λ,天线的剖面较低，非常有利于与载体共形的应用。

超表面；缝隙微带天线；低剖面；宽带；圆极化天线

0　引　言

近年来，随着无线通信技术的飞速发展,无线通信系统对天线的性能要求越来越高，单纯的线极化天线已无法满足通信需求。因此，具备圆极化特性的天线越来越受重视。圆极化的微带天线具有剖面低、质量轻、结构简单、可与载体共形、易于有源器件集成等优点，在卫星通信、导航系统、遥感遥测和电子对抗中被普遍使用[1-3]。

微带天线的圆极化带宽参数常用小于-10 dB的阻抗带宽和小于3 dB的轴比带宽来描述。目前，单层微带天线实现圆极化的方法有单点馈电法和多点馈电法。其中，单层单点馈电的圆极化微带天线结构简单，无需额外的馈电网络,但圆极化带宽较窄，3 dB轴比带宽通常只有3%左右[4]。多点馈电圆极化微带天线具有较宽的阻抗带宽和轴比带宽、交叉极化低等优点，但需要使用馈电网络来实现相位差，且结构过于复杂，增加了天线的剖面高度[5]。因此,如何展宽微带天线圆极化带宽的同时保持天线的低剖面性成为了目前研究的一个热点。

近年来超材料发展迅猛，特别是2011年，美国哈佛大学的Capasso所领导的课题组[6-7]提出了超表面的概念，为实现低剖面的宽带圆极化微带天线提供了一种新的途径。超表面基于亚波长微结构在二维平面的规则或非规则排布，是超材料的二维平面情形[8]，由于其亚波长及相位调制的特性，超表面能够在很小的尺度范围内实现电磁波的极化调制和传播控制，便于微波器件、隐身材料和天线的小型化设计。因此，超表面在实现低剖面的宽带圆极化微带天线方面具有很广泛的应用前景[9-11]。文献[10]将超表面放置在线极化天线上方，实现了线极化天线到圆极化天线的转化，但是设计的天线轴比带宽较窄，只有5.6%；文献[11]将超表面围绕缝隙天线中心正上方旋转，设计了一种极化可重构天线，但是设计的天线剖面较高，达到0.9λ。

结合文献[10]和文献[11]，本文设计了一种基于超表面的宽带低剖面圆极化天线，相较于文献[10]和文献[11]，扩展了天线的轴比带宽，降低了天线的剖面高度。通过将超表面放置在源天线即缝隙微带天线之上，分析了该超表面实现圆极化的机理，并对影响天线圆极化带宽的参数进行了优化。仿真和实测结果表明：天线相对阻抗带宽扩展了一倍，达到了17%，3 dB轴比带宽达到7.2%，拓展了天线的工作带宽。最终，天线整体尺寸经过优化后仅为0.4λ×0.4λ×0.03λ，天线剖面较低，非常有利于与载体共形的应用。

1　天线结构与设计

如图1所示，该天线由上下两层构成。下层是源天线即缝隙微带天线，上层是加载的超表面。下层介质板的下表面开有矩形的耦合缝隙，缝隙长sl=21.1 mm，宽sw=2.5 mm；下层介质板的上表面是一个矩形金属辐射贴片，辐射贴片长fl=24.5 mm，宽fw=2.5 mm，缝隙和贴片相距fy=2mm；采用同轴线背面馈电，馈电圆半径p=1.5 mm。超表面是在上层介质板的上表面由相同方形切角单元构成，方形单元边长a=10.8 mm，切角长度b=3.5 mm，单元之间间距c=0.42 mm；由于该单元结构对称，参数尺寸少，因此便于优化。本文所设计天线上下两层介质均采用厚度h=2mm，整体尺寸为T×T=50 mm×50 mm，介电常数为9.6的微波复合介质TP-2,中心工作频率设计为2.49 GHz，工作于此频段的天线可工作在“北斗”频段[12]。可以明显看出，最终天线整体尺寸仅为0.4λ×0.4λ×0.03λ(λ为中心工作频率2.49 GHz所对应的波长)，天线剖面较低，非常有利于与载体共形的应用。

图1　天线结构图

2　理论分析

如图2所示，由于缝隙天线沿y轴是线极化，当超表面放在缝隙天线上时，超表面的电场E是沿y轴方向变化。可将超表面电场E分解成两个正交的分量E1与E2。当单元没有切角时，由于结构对称，正交分量E1与E2的等效电路可以认为是相同RLC电路[11]。电路的阻抗为

(1)

式中：R和L分别为每块贴片的电阻及电感值；C为由邻近两个对角单元之间缝隙产生的电容。当单元有切角时，E1和E2等效电路中的阻抗将发生变化，不再为相同RLC电路。

(2)

(3)

图2　超表面单元结构及工作原理示意图

3　仿真与参数优化

3.1对阻抗带宽的优化

为实现圆极化微带天线的宽带圆极化特性，需要对缝隙天线的各尺寸参数进行优化。本文采用基于有限元的AnsoftHFSS15.0软件对天线进行仿真与优化。通过仿真分析发现，耦合缝隙宽边sl、耦合缝隙窄边sw、馈电点参数p对天线阻抗带宽，即反射系数S11的影响比较明显，如图3所示。随着参数sl的减小，天线的阻抗带宽增加，中心频率向高频移动；随着参数sw的减小，天线的阻抗带宽基本保持不变，中心频率向低频移动；随着参数p的减小，天线的阻抗带宽略有减小，中心频率向高频移动。经分析，是由于改变耦合缝隙宽边sl、窄边sw、馈电点参数p会影响天线的阻抗匹配，从而改变天线的谐振频率和阻抗带宽。因此，可以通过调节天线尺寸的三个参数sl，sw，p来实现对天线阻抗带宽的优化。

图3　天线参数对阻抗带宽的影响

3.2对轴比带宽的优化

通过仿真分析发现，超表面的三个主要参数对天线轴比性能的影响较为明显,分别是超表面的辐射单元长度a、切角边长b，以及单元间距c，如图4所示。

图4　天线参数a,b,c对轴比带宽的影响

可以看出，随着参数a的增加，天线的轴比带宽略有减小，中心频点向低频移动；随参数b的增加，轴比带宽略有减小，中心频点向高频移动；随着参数的c的增加，轴比带宽基本保持不变，中心频点向低频移动。经分析，是由于改变超表面的三个参数可以改变超表面等效电路的等效阻抗，从而改变缝隙微带天线加载超表面后的轴比带宽。因此，可通过调节超表面单元的三个参数a，b，c来实现对天线轴比带宽的优化。

同时，由于实际应用中圆极化天线需具备宽入射角特性，需考虑不同入射角度θ对轴比带宽的影响。在天线各参数值的基础上，图5给出了在xoz面和yoz面不同入射角度下轴比带宽的变化情况。可以看出，随着xoz面入射角度θ的增大，轴比带宽基本不变；随着yoz面入射角度θ的增大,轴比带宽略有减小。因此，设计的加载超表面的圆极化天线具备宽入射角特性，对入射波的角度不敏感。

图5　xoz面和yoz面不同入射角度θ对轴比宽带的影响

4　实测分析

图6为加工的天线实物和测试图。图7、图8、图9分别为天线阻抗带宽、轴比带宽以及增益的仿真和测试结果。从图7中可以看出，单独的缝隙天线阻抗带宽(S11<-10dB)为2.40GHz～2.59GHz，加载超表面后的仿真阻抗带宽大幅增加，相较源天线带宽扩展了一倍，为2.14GHz～2.55GHz，实测阻抗带宽为2.22GHz～2.62GHz，相对阻抗带宽均达到17%。加载超表面后阻抗带宽的仿真与实测结果存在微小偏差，经分析是由于加工精度误差等原因导致。从图8中可以看出，加载超表面后仿真3dB轴比带宽(AR<3dB)为2.40GHz～2.58GHz，中心频率为2.49GHz，实测3dB轴比带宽为2.39GHz～2.57GHz，相对轴比带宽均达到7.2%, 仿真与实测结果非常吻合。从图9中可以看出，天线在圆极化工作带宽内主极化，即右旋圆极化的仿真和实测增益均大于5dB，而交叉极化，即左旋圆极化均在-10dB以下，说明该天线的极化纯度较好。

图6　天线实物及测试

图7　天线阻抗带宽

图8　天线轴比带宽

图9　天线增益

5　结束语

本文设计了一种基于超表面的宽带低剖面圆极化天线，天线包括下层缝隙微带天线及上层超表面。仿真和实测结果表明：天线中心工作频率为2.49GHz，相对阻抗带宽达到17%，3dB轴比带宽达到7.2%，具有较宽的阻抗及轴比带宽，在工作频带内增益稳定性较好，具备良好的宽带圆极化特性，天线整体尺寸仅为0.4λ×0.4λ×0.03λ,天线剖面较低，非常有利于与载体共形的应用。

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谢开男，1992年生，硕士。研究方向为微带天线、圆极化天线、人工电磁材料等。

高军男，1962年生，教授，硕士生导师。研究方向为天线与电磁兼容、人工电磁材料等。

曹祥玉女，1964年生，教授，博士生导师。研究方向为计算电磁学、天线与电磁兼容、电磁超材料等。

Design of a Wideband Low-profile Circularly Polarized Antenna Based on Metasurface

XIE Kai，GAO Jun，CAO Xiangyu，GAO Kuanliang

(Information and Navigation College, Air Force Engineering University,Xi′an 710071, China)

A wideband low-profile circularly polarized antenna design based on metasurface is proposed. The antenna consists of two layers, a metasurface composed of square units with truncated corners is placed on the top layer while using a traditional linearly polarized microstrip slot antenna as the other one. The metasurface′s operational principle of switching linearly polarized wave into circularly polarized wave is analyzed, and the parameters of the antenna are optimized according to their influence on the band parameters. Simulated results show that the antenna can radiate circularly polarized wave and its impedance bandwidth is broaden by loading metasurface. The relative impedance bandwidth and 3 dB axial ratio bandwidth can reach 17% and 7.2%, respectively. To verify the effectiveness of the antenna design, the prototype of antenna is fabricated and measured, and the measured results agree well with the simulation, which demonstrates the antenna's satisfying property of wideband circular polarization. The antenna is favorable for conformal applications as it keeps the 3D size of only 0.4λ×0.4λ×0.03λ.

metasurface；microstrip slot antenna；low profile；wideband；circularly polarized antenna

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.08.014

国家自然科学基金资助项目(61271100, 61471389, 61501494); 陕西省自然科学基础研究项目(2012M8003)

高军Email：gigi9694@163.com

2016-05-04

2016-07-14

TN821+.1

A

1004-7859(2016)08-0059-05