超材料在S波段天线阵中的应用

郭锋 徐永杰

（广州海格通信集团股份有限公司广州510663）

超材料在S波段天线阵中的应用

郭锋 徐永杰

（广州海格通信集团股份有限公司广州510663）

提出一种新型的超材料结构作为介质覆盖层，将其应用于圆极化微带天线中，提高了天线的增益和带宽。基于复合右/左手传输线（Composite Right/Left Handed Transmission Line，CRLH TL）的超材料结构，设计了一款正交馈电网络，与传统的馈电网络相比，插损更低、尺寸更小。基于以上设计，制作了2×2元天线阵实物，实测VSWR≤1.5的相对阻抗带宽为37.1%，最大增益为15.6dB。

超材料；圆极化；馈电网络；天线阵

Class NumberTN965·2

1 引言

为了适应S波段通信终端的发展，天线的设计要同时兼顾多种性能指标，如小型化、高增益、宽频带、高隔离度等，传统的天线设计手段越来越无法满足系统的需求。“超材料”是一种人工合成材料，通过对一些周期结构材料进行尺寸和形状的合理有序的设计，使这些材料获得自然界常规材料所没有的新特性［1］。超材料的提出为天线设计打开了一扇崭新的大门，很多传统天线设计手段无法解决的难题，通过超材料可以很好地得到解决，因此近年来得到了蓬勃发展，许多具有新颖结构和独特特点的天线应运而生。

微带圆极化天线具有体积小、重量轻、剖面低、易共形、馈电方式多样化等诸多优点，在通信终端领域备受亲睐［2～3］。但微带天线属于谐振天线，带宽很窄，损耗较大、增益较低。针对微带天线的这些不足之处，自从2000年以后，科研工作者将超材料结构应用微带圆极化天线中，用以改进和优化微带圆极化天线的性能。文献［4～5］利用螺旋状超材料结构取代天线的介质基板，这不仅使天线的尺寸、质量得到减小，同时还省去了介质基板的成本；文献［6］设计了超材料的补偿结构并加载在介质板内部，通过调整补偿结构在介质基板中的位置，可以对天线的性能进行优化和改进。上述文献提出的超材料结构加工相对复杂，仿真时需要考虑优化的参数较多，同时面临着加工工艺的挑战。如何利用相对简单的超材料结构来高效地拓展圆极化微带天线的带宽和提高微带圆极化天线的增益，这是一个严峻的挑战。为了满足S波段通信终端的苛刻要求，本文提出一种在微带圆极化天线上方加载的新型超

材料结构，既提高了天线的增益，又拓展了天线的带宽，同时利用复合右/左手传输线的超材料结构，设计了一款小型化正交馈电网络，基于以上设计，制作了2×2元天线阵实物。实测和仿真结果吻合较好，从而验证了该超材料结构的正确性和实用性。

2 天线单元设计

2.1 超材料结构单元的设计

在微带圆极化天线的上方加载超材料结构可以改善天线的带宽和增益［7］，这种方法的原理是根据双负超材料结构材料所具有的特殊电磁效应，能有效调控天线贴片附近的表面波，因为超材料结构具有聚焦特性，天线表面激励的电磁波就可以被有效的汇聚，进而更有效地改善天线的带宽和增益。

图1 为提出的新型超材料结构单元模型，将铜片印制在介质基板上下表面，在结构单元的外面建立空气盒子，空气盒子的两侧分别设置为理想磁壁和理想电壁。电磁波沿着Z方向入射，磁场沿着X方向，电场沿着Y方向。对均匀平面电磁波沿Z方向照射中的超材料的反射系数Sll和透射系数S21进行仿真，进而得到反射曲线以及透射曲线，如图3所示。由图3中可以看出在1.6GHz～2.35GHz频率范围内反射系数小于-10dB，利用此超材料结构在工作频段的电磁效应，沿着基底传播的表面波可以得到很好的调控，天线福射到空间的电磁波的强度会有所增强，天线的带宽和增益进而得到改善。

2.2 天线单元的设计

图3为天线单元的结构示意图。天线单元由三层介质叠层而成。上层为超材料结构单元覆盖层，中间为圆形辐射贴片层，两层中间引入空气层，下层为馈电网络层，上层基板采用介电常数为3.55的介质材料，中间和下层基板采用介电常数为2.55的介质材料。

天线采用探针馈电结构，贴片中的两个点为馈电点，采用宽带90°耦合器网络获得两个相位依次为0°、90°的等幅激励，宽带90°馈电网络输出端接有两个相互垂直的探针给天线馈电，最终获得圆极化辐射。圆形贴片尺寸计算根据下面公式［8］：

其中χ′11=1.841，c为自由空间光速，a是计边缘效应后的等效半径，a′为物理半径。接地板尺寸受馈电网络尺寸的限制，选择72mm×72mm。为了增加波束宽度，将天线介质衬底延伸，超出接地板适当距离，这里选择80mm×80mm。各参数尺寸见表1所示。

表1 各参数尺寸（mm）

2.3 天线单元的仿真结果

对覆盖新型超材料结构的天线单元和未覆盖新型超材料结构的天线单元进行仿真，得到天线的反射系数和天线的增益，分别如图4、图5所示。

由图4和图5可以看出，覆盖超材料的天线单元带宽和增益指标明显优于没有覆盖超材料的天线单元。因此，覆盖超材料的天线单元可以作为天线组阵的单元。

3 正交馈电网络的设计

3.1 正交馈电网络结构

复合右/左手传输线（Composite Right/Left Handed Transmission Line，CRLH TL）是超材料的传输线实现形式［9～10］，它具有的相位补偿、非线性相位响应和零阶谐振等特性，被广泛应用于微波无源器件的设计中［11］。

由于存在寄生效应，超材料的左手传输线只是一种理想的情况，它与右手传输线一起构成了复合右/左手传输线。当电磁波在右手传输线中传播时，相速度与群速度方向相同，表现为相位滞后，具有负的相移；而左手传输线在正的群速度方向相位超前，具有正的相移。因此，将右手传输线和左手传输线级联起来形成的CRLH传输线在一定频率范围内可实现正、负或者零度相位。图6给出了一种CRLH传输线的实际电路结构单元模型，其中，C是加载串联电容值，L是加载并联电感值，Z0为微带线的特性阻抗，d为加载电容之间微带线的长度。

只要调节L和C，就可以可调节电路的相位。这就是相位补偿原理。双馈点圆极化天线需要正交馈电，可采用图6所示的电路结构模型来实现相移。

设计的馈电网络结构如图7所示，它由三个Wilkingson功分器、若干组CRLH-TL单元及传统的微带移相线组成。由于Wilkingson功分器结构简单，且具有较好的隔离特性，能够避免四个端口的信号相互耦合，影响天线性能，其中隔离电阻R= 100Ω。信号由端口P1输入，第一个Wilkingson功分器将信号分为两路等幅同相信号，这两路信号分别经过一组CRLH-TL和传统微带移相线后形成+45°和-45°的相移，从而实现了90°相位差。同理，分别再对这两路等幅正交的信号重复这一功分移相过程，即可实现四个端口的正交馈电。

3.2 正交馈电网络的仿真与实测结果

运用电磁仿真软件ADS2011搭建原理图并进行仿真，仿真结果如图8、图9所示。

图8 给出了输入端口的反射系数曲线和任意两输出端口的反射系数曲线、传输系数曲线。图中可以看出，各端口的反射特性较好，在图中全频段范围内，反射系数都小于-15dB，而两传输系数曲线基本重合，图中给出了中心频率1.97GHz处，某一端口的传输系数为-6.038dB。±10o的相位差频率范围为1.66GHz～2.28GHz。图9则是输出端口对应的相位响应曲线，曲线显示任意两端口的相位相差90°，为正交端口。

对仿真结果进行优化，并制作了正交馈电网络实物如图10所示。图11给出了P1、P2、P3端口的反射系数实测曲线和2、3端口的传输系数实测曲线；图12给出了P2、P3端口的相位实测曲线。测试结果表明：在1.8GHz～2.3GHz频率范围内，三个端口的反射系数均小于-15dB，插入损耗最大为0.44dB，±10°的相位差频率范围为1.75GHz～2.27GHz。测试与仿真结果基本吻合，相位差带宽略微收窄是由于集总元件取值不连续造成的。

4 天线阵的设计

4.1 连续旋转馈电组阵

利用基于复合右/左手传输线的超材料结构设计的正交馈电网络，P1、P2、P3、P4四个端口信号幅度相等、相位依次为0°、90°、180°、270°，四个端口分别对接对天线单元进行馈电的宽带90°耦合器网络，从而组成了2×2元天线阵的馈电网络。运用连续旋转组阵法，依次对天线单元旋转90°进行组阵，改善天线阵列的圆极化性能，增加轴比带宽，减小交叉极化电平。因此，利用四个圆极化辐射元组合再次形成圆极化阵列，不仅能在原有宽带圆极化单元的基础上获得更宽的圆极化带宽，更有利于其在平面阵列中的集成应用。

4.2 天线阵的仿真与实测结果

基于以上设计，对该天线阵进行了电磁仿真和参数优化，得到阵列天线的VSWR、增益和轴比特性曲线。并根据优化参数制作了阵列天线实物，如图13所示。在微波暗室对天线阵实物进行了测试，图14给出了驻波比实测与仿真结果，实测在1.58GHz～2.30GHz频率范围内VSWR≤1.5，相对阻抗带宽约为37.1%，实测结果与仿真结果吻合较好；图15给出了天线阵增益实测与仿真结果，实测最大增益为15.6dB，比仿真时的最大增益低1.5 dB，实测的增益曲线趋势与仿真的增益曲线趋势一致；图16给出了天线阵在1.8GHz～2.2GHz时的轴比实测与仿真结果，在此频段内，轴比均小于3 dB，实测与仿真的趋势一致。阵列天线实测和仿真结果趋势一致，从而验证了该超材料结构设计方法的正确性和实用性。

5 结语

基于S波段通信终端的迫切需求，设计了一种新型的超材料结构作为天线的介质覆盖层，提高了天线的增益和带宽；基于复合右/左手传输线的超材料结构，设计了应用于圆极化天线阵的正交馈电网络，实现了任意输出端口的相位正交。基于以上设计，制作了2×2元天线阵实物，实测结果与仿真结果吻合较好。该天线阵结构简单、易于加工、成本低廉，可满足S波段通信终端设备的宽带、高增益和集成化应用。

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Application of Metamaterial in S Band Antenna Array

GUO FengXU Yongjie
（Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company，Guangzhou510663）

metamaterial，circular polarization，feeding，array antenna

TN965·2

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.06.013

2016年12月5日，

2017年1月27日

郭锋，女，硕士，工程师，研究方向：天线理论与技术、微波电路与系统等。徐永杰，男，硕士，工程师，研究方

向：天线理论与技术、微波电路与系统等。

Abstrate In this paper，a wideband and high gain circular-polarized microstrip antenna of four-element array at S-band is described，which is based on metamaterial as the substrate coating and the quadrature phase feeding structure.The feeding based on the Composite Right/Left Handed Transmission Line compared with the original feeding，the size and insertion loss are decreased.A 2×2-element microstrip array is developed based on element and feeding，the measured results show that the relative impedance bandwidths can reach 37.1%whichVSWR≤1.5 is obtained，the maximum gain is about 15.6dB，The measured results are good agreement with the simulated results.