基于超表面的宽带圆极化方环缝隙天线设计

刘双兵，叶 松，余建立,叶晓娟

巢湖学院电子工程学院，安徽合肥,238000

随着无线通信技术的飞速发展，现代无线通信和雷达系统对天线的圆极化工作带宽和增益等性能要求越来越高。低剖面、宽带圆极化、高增益天线是当前研究热点。环形缝隙天线具有低剖面、重量轻、易加工、宽阻抗带宽等优点而备受关注[1-3]。通过在环形缝隙内适当的位置加载短路片可以实现天线的圆极化辐射，Chen等[4]设计了短路圆环和短路方形环缝隙天线，3 dB轴比带宽分别为8.4%和8.1%，天线增益为4～5.6 dBi。Chang等[5]通过改变馈电微带线的形状，使短路方形环缝隙天线的3 dB轴比带宽扩展到12.9%，但天线增益仅为3.3 dBi。显然，由于这类天线产生双向辐射，导致天线增益较低。

近年来，超表面因其奇异的电磁特性[6]而被广泛应用于天线设计中，用以扩展阻抗带宽[7]、提高辐射增益[8]、降低雷达散射截面[9]。Wu等[10]设计了一种基于矩形贴片阵列超表面的圆极化斜缝隙天线，3 dB轴比带宽为16.5%，增益均值为5.8 dBi。Cao等[11]将一种方形贴片阵列超表面加载于L型缝隙天线上，获得了23.6%的3 dB轴比带宽，增益高于7.3 dBi。Zhao等[12]提出一种基于十字型缝隙耦合馈电的H型贴片阵列超表面天线，实现了14.3%的3 dB轴比带宽，增益峰值达到了9.3 dBi。Liu等[13]采用米字型缝隙对方形贴片阵列超表面进行耦合馈电，得到了轴比带宽为14.5%、增益高于7 dBi的圆极化天线。以上研究表明，通过加载超表面可以扩展缝隙天线的轴比带宽和提高辐射增益。

基于以上研究现状，为了进一步提高环形缝隙天线的工作性能，本文提出将一种5×5阵列方形贴片组成的超表面直接覆盖在微带线馈电的短路方环缝隙天线上方，实现了低剖面、宽频圆极化、高增益天线设计，分析了天线圆极化辐射的工作机制，仿真分析了结构参数对天线反射系数与轴比的影响规律和天线的工作性能。仿真结果表明，天线具有良好的阻抗带宽、轴比带宽和辐射特性，具有一定的应用价值。

1 天线设计

天线结构如图1所示，由超表面和微带线馈电的短路方形环缝隙天线构成。超表面由5×5阵列方形金属贴片组成，印制在相对介电常数为3.38的介质基板的上表面，如图1(a)所示。带有短路方形环缝隙的接地金属面印制在相对介电常数为4.4的介质基板的上表面，其下表面是馈电微带线，如图1(b)所示，其中α是金属短路片与馈电微带线之间的夹角，用以表征短路片在方形环缝隙内的位置。利用HFSS软件对天线进行仿真分析，优化得到的天线结构参数值如表1所示。天线整体尺寸为0.84λ×0.84λ×0.059λ(λ为圆极化工作频带的中心频率6.3 GHz对应的波长)，具有低剖面特性，易与载体共形。

图1 天线的结构图

表1 天线的结构参数值 mm

方环缝隙内宽度为d的短路片可以看作是一个微扰，可以调节天线的极化状态。当短路片的位置恰当时，天线会产生良好的圆极化辐射。为了说明天线形成圆极化辐射的工作原理，研究了超表面金属贴片上的面电流矢量分布规律。当α=45°，频率为6 GHz，相位φ分别为0°、90°、180°、270°时超表面上的面电流矢量分布如图2所示。由图2可以看出，随着相位的增加，面电流矢量方向呈现顺时针旋转，形成了左旋圆极化辐射。

图2 不同相位时超表面上面电流矢量分布

2 参数分析

为了实现天线的宽带圆极化工作特性，需要对方环缝隙内短路片的位置和超表面的结构参数进行优化，仿真分析了不同参数对天线性能的影响。图3给出了短路片的位置对天线的反射系数和轴比的影响。从图3(a)可以看出，随着α的增大，阻抗匹配越来越好，但低频端的反射逐渐增强，导致阻抗带宽逐渐变窄；图3(b)则表明，随着α的增大，低频端的轴比在降低，轴比带宽有所增大，但中心频率处的轴比性能在逐渐恶化。

图3 α对天线性能的影响

天线的反射系数和轴比随超表面介质基板厚度h的变化规律如图4所示。由图4(a)可以看出，随着超表面介质基板厚度h的增加，低频端的阻抗匹配越来越好，中心频率向低频移动，天线的阻抗带宽基本保持不变；图4(b)则说明，h对天线的轴比性能影响较大，当h=2 mm时，轴比带宽达到最大；其余取值时，轴比均产生一定程度恶化。

图4 h对天线性能的影响

超表面方形贴片单元的边长p对天线的反射系数和轴比的影响曲线如图5所示。由图5(a)可见，p对天线的反射系数影响较小，阻抗带宽基本保持不变；图5(b)体现出，随着p的逐渐增大，高频端的轴比性能越来越好，低频端的轴比变化较小，轴比带宽逐渐变窄。

图5 p对天线性能的影响

以上仿真结果表明，可通过调节方环缝隙内短路片的位置和超表面的结构参数来实现对天线阻抗带宽和轴比带宽的优化。

3 天线仿真性能

在参数优化基础上，仿真分析了天线的工作性能。图6给出了天线的反射系数曲线，图7为天线的轴比和增益。由图6可知，天线的-10 dB阻抗带宽为47.9%(4.82～7.86 GHz)。从图7可以看出，天线的3 dB轴比带宽为21.5%(5.65～7.01 GHz)，在圆极化工作带宽内，天线增益高于5 dBi，最大增益达到了7.26 dBi。

图6 天线反射系数 图7 天线轴比和增益

天线在6 GHz时的远场辐射方向图如图8所示。很显然，天线的极化方式为左旋圆极化，在主辐射方向上，交叉极化比高于20 dB，体现出天线具有良好的远场辐射性能。

图8 天线在频率为6 GHz时的辐射方向图

4 结 论

文本提出了一种加载超表面的短路方形环缝隙天线。通过合理设置方环缝隙内短路片的位置，天线实现了宽带圆极化工作性能。仿真结果表明，天线的阻抗带宽为47.9%，3 dB轴比带宽达到了21.5%，在圆极化工作频带内，天线增益高于5 dBi，最大增益为7.26 dBi。天线具有低剖面、宽频带和良好的圆极化辐射性能，在无线通信系统中具有一定的应用价值。