基于超材料的宽带双极化天线研究

高 珊

(河北科技大学，河北 石家庄 050018)

0 引言

现代无线通信系统对天线的性能要求越来越高，尤其是现代的5G通信系统，需要更小的天线体积、更宽的频带和更多的极化特性[1]。贴片天线具有低剖面和体积小的优势，被广泛应用在通信系统中，但是贴片的带宽有限。

目前提升贴片带宽的常见方法有降低天线的Q值和通过引入额外的电路改善匹配。采用降低天线Q值的方法，需要更高的空气层，增加了天线的剖面。而引入额外的电路改善匹配，增加了电路的复杂度，降低了天线的增益，相比与贴片天线，超材料天线具有宽频的优点[2-4]。

本文提出了一款基于超材料的宽带双极化滤波天线，首先在传统的贴片天线上引入缝隙，得到由多个贴片单元组成的超材料结构，初步改善了贴片天线带宽窄的问题。其次将传统馈电中的单个缝隙用环谐振器代替，得到对称的馈电结构，环谐振器可以在通带内引入一个额外的匹配极点，改善匹配性能。然后分别调节环谐振器和天线之间的耦合量与馈电微带线和环谐振器之间的耦合量，得到宽带响应。最终采用对称的激励网络得到宽带双极化天线，相对于其他文献中的超材料天线，本文提出的天线具有结构简单、宽带多极化的优势。

1 天线设计

1.1 超材料天线

超材料天线不同于传统的贴片天线，贴片天线仅有一个金属贴片，而超材料天线由多个贴片组成，但是在相同的工作频率下，两者的尺寸基本相同。图1为本文提出的一种新型的超材料天线，黄色的部分为金属部分，灰色部分为介质基板，通过多种缝隙将整个金属贴片分成4部分，其中缝隙包含横向、纵向、+45°和-45° 4个不同方向的缝隙，多种缝隙的加载降低了贴片天线的Q值，因此超材料天线的带宽比贴片天线宽。本文中超材料天线工作频率中心为3.75 GHz，超材料天线的每个金属部分为16 mm×16 mm，水平和垂直缝隙的宽度为0.4 mm，+45°和-45°缝隙的宽度为1 mm，介质基板的厚度为0.508 mm。

图1 超材料天线

1.2 环谐振器模型

缝隙耦合馈电为常见的贴片天线激励方式，但是常规的缝隙激励方式只通过缝隙的大小来控制馈电到天线的耦合量，不能改善其匹配性能。为改善通带的匹配性能，本文引入环谐振器代替单个的缝隙馈电(见图2)，黄色部分为地板，位于基板的上层，红色部分为馈电部分，位于基板的下层，采用传统的50 Ohm的微带线激励天线，基板尺寸和性能与天线的基板相同。在超材料天线的地板上引入一个缝隙环形谐振器，环形谐振器的工作频率和超材料天线的谐振器频率相同，4个单元的每个边长约为工作频率的1/4波长。从图2可以看出馈电结构是对称的，因此本文提出的馈电结构可用于双极化天线的设计，增加了在5G通信中的应用。

图2 天线地板和背面馈线部分

1.3 两者耦合激励模型

基于上述分析得到的超材料天线和环形谐振器馈电结构，我们提出新型的耦合激励模型。耦合激励模型不仅包含上述的超材料天线和环形缝隙谐振器馈电网络，还包含6.5 mm的空气层，这里空气层作用主要是来调节耦合模型的耦合量，当空气层降低时，耦合量增大，当空气层提高时，耦合量减小。

因此基于超材料的宽带双极化天线设计流程如下。首先确定天线的工作频率，根据贴片天线和环谐振器的谐振条件，得到两者的尺寸，然后在贴片天线上引入缝隙，得到超材料天线单元。其次通过调节空气层的高度来调整超材料天线和环谐振器之间的耦合，改善通带的匹配特性。最终优化各个参数，得到本文的超材料天线和环谐振器耦合模型。

2 仿真结果分析

通过高频结构仿真(High Frequency Structure Simulator，HFSS)软件得到本文中超材料宽带双极化天线的相关参数。由于结构对称分布，因此水平极化和垂直极化的相关参数相同，所以接下来仅需分析一种极化即可。本文以水平极化的参数为例，从图3的反射系数曲线可以看出，本文提出的超材料天线在3.25～4.2 GHz 频段上匹配，反射系数小于-10 dB，相对带宽为24%，在带内存在两个反射零点，这是由于环谐振器的引入增加了额外的反射零点，可见该模型有良好的电路特性。

仿真在水平极化情况下得到侧射方向实际增益曲线，由于本文中的天线主要应用在点对点通信系统中，需要侧射方向的辐射。在中心频率3.75 GHz上实际增益为9.75 dBi，带内增益大于6.64 dBi，在第二个匹配点位置增益达到最大值为9.94 dBi，带内增益也较为平坦。

超材料宽带双极化天线在中心频率3.75 GHz上的辐射特性通过HFSS仿真得到辐射方向为0°，主极化比交叉极化幅度高13 dB，前后比大于12 dB。可以通过适当地增加地板尺寸改善前后比，表明超材料天线具有良好的辐射特性。

图3 双极化天线的反射系数曲线

3 结语

本文设计了一个基于超材料的宽带双极化滤波天线，在3.25～4.2 GHz频段上匹配性能和辐射特性良好，仅需要缝隙加载2×2贴片组成的超材料和环谐振器就可以实现24%的带宽。此外环谐振器的引入还实现了对称激励，通过对称激励得到了双极化天线。本文设计的天线完全覆盖5G的N77频段，因此可以用到5G通信系统中。