基于特征模分析的宽带超表面天线设计

李 治，马润波，韩丽萍

(山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006)

随着社会信息化进程不断加速，无线通信的重要性日益彰显.天线作为电磁波收发装置，其性能好坏与无线通信质量和效率直接相关.微带天线因其具备剖面低，尺寸小，重量轻，成本低等优点受到了研究人员的广泛关注，但较高的品质因子导致其带宽较窄.传统提高微带天线带宽的方法有：寄生贴片、厚空气介质、缝隙加载和电容耦合馈电等[1-4].加载寄生贴片和厚空气介质增加了天线的尺寸，不规则缝隙以及寄生贴片的数量提升了天线的分析难度.近年来，超表面因其超常的物理特性引起了研究人员的广泛关注，将超表面放置于微带天线周围，可以激发准多次模，加强谐振特性，从而展宽带宽.

目前，国内外学者针对宽带超表面天线展开了一系列的研究，并取得了一定的成果.文献[5-8]通过激励超表面的模式实现宽带.文献[5]通过在超表面单元刻蚀缝隙引入新的谐振模式，多个模式组合在一起实现了36%的带宽；文献[6]采用锯齿形条带激励超表面的3个模式，实现了37%的带宽；文献[7]通过分裂超表面单元使天线的带宽达到了16.6%；文献[8]根据非均匀超表面的模式因子和表面电流，旋转超表面单元使得超表面的两个模式靠近，天线的带宽为15.8%.文献[9-13]通过组合超表面和缝隙天线的谐振模式实现宽带.文献[9-10]采用缝隙耦合激励超表面，超表面的谐振模式和缝隙天线的谐振模式结合，天线的带宽分别为31%和30.3%；文献[11]通过矩形介质谐振腔激励超表面，组合介质谐振腔的谐振模式和超表面的谐振模式，天线的阻抗带宽为29.7%；文献[12]采用介质集成缝隙波导激励超表面，缝隙的谐振模式和超表面的谐振模式组合在一起实现了35.5%的带宽；文献[13]通过调整超表面方形环的宽度，产生了两个相邻的谐振模式，结合缝隙天线的谐振模式，其工作宽带达到了54%.文献中大部分天线的带宽低于40%，本文的设计目标是较大带宽的超表面天线，并且在整个通带内具有稳定的增益

本文设计了一种基于特征模分析的超表面天线.使用特征模理论分析方法，设计了具有良好辐射性能的宽带超表面结构.采用缝隙耦合方式激励超表面，通过组合超表面的谐振模式和缝隙天线的谐振模式实现宽带.测量结果表明，该天线的工作频段为5.5 GHz～9.5 GHz，在频带内具有良好的辐射模式.

1 基于特征模分析的宽带超表面

图 1 给出了超表面演化过程，其中，超表面Ⅰ由4×4正方形贴片组成，超表面Ⅱ将角落贴片分裂为3×3子阵，超表面Ⅲ在超表面Ⅱ的基础上，将边缘贴片进一步分裂为4×4子阵.设计的超表面工作在5.5 GHz～7.5 GHz频段，通过商业仿真软件CST对超表面进行特征模分析.图 2 给出了超表面Ⅰ前10个模式的MS(Modal Significance)值随频率的变化，由图 2 可知，模式1和模式2、模式3和模式4、模式5和模式6、模式7和模式10、模式8和模式9分别具有相同的谐振频率和相似的频率变化趋势，是5组不同的简并模式，所以只选择模式1、模式3、模式5、模式7和模式9进行分析.

图 1 超表面演化过程

图 2 超表面Ⅰ的模式因子

图 3 给出了超表面Ⅰ在6.5 GHz时的特征电流和辐射模式，其中黑色箭头表示电流方向.

图 3 超表面Ⅰ的特征电流和辐射模式

由图 3 可知，超表面在模式3的特征电流同向，具有良好的辐射模式，而在模式1、模式5、模式7和模式9存在反向电流，辐射模式的主瓣分裂、出现辐射零点.图 4 给出了模式3在 5.5 GHz 和 7.5 GHz 的特征电流和辐射模式.由图 6 可知，在 5.5 GHz时，超表面的特征电流是同向的，产生了较好的辐射模式；在7.5 GHz时超表面存在反向电流，相对应的辐射模式主瓣分裂，产生旁瓣.

图 4 超表面Ⅰ在模式3的特征电流和辐射模式

图 5 超表面Ⅱ的特征电流和辐射模式

为了改善超表面Ⅰ在7.5 GHz处的辐射模式，将角落贴片分裂为3×3的子阵，形成了超表面Ⅱ，其结构如图 1(b) 所示.由于分裂了角落贴片，模式3改变为模式1.图5给出了超表面Ⅱ的特征电流和辐射模式，可以看到将角落贴片分裂后，在5.5 GHz和6.5 GHz处的特征电流和辐射模式并没有太大的变化；在7.5 GHz处，角落贴片的反向电流受到抑制，主瓣增强，辐射模式得到了改善，但超表面单元内仍存在反向电流，产生旁瓣.在超表面Ⅱ的基础上将边缘贴片分裂成 4×4的子阵，形成了超表面Ⅲ，其结构如图 1(c) 所示.图 6 给出了超表面Ⅲ的特征电流和辐射模式，由图 6 可知，分裂角落贴片和边缘贴片后，超表面的特征电流是同向的，主瓣增强，旁瓣消失，产生了良好的辐射模式.

图 6 超表面Ⅲ的特征电流和辐射模式

2 宽带超表面天线设计

在上述分析的基础上，设计了缝隙耦合宽带超表面天线，其结构如图 7 所示.

(a) 侧视图

天线由超表面和缝隙天线组成.超表面印刷在上层介质基板，由4×4正方形贴片组成，角落贴片分裂为3×3子阵，边缘贴片分裂为4×4子阵，其结构如图7(b)所示.缝隙天线印刷在下层介质基板，由刻蚀了长方形缝隙的接地板和50 Ω的微带线组成.微带线通过接地板的缝隙激励超表面，超表面的谐振模式和缝隙天线的谐振模式组合在一起实现宽频带.介质基板选用聚四氟乙烯(PTFE)，相对介电常数和损耗角正切分别为2.2和0.002，采用商业仿真软件CST建模分析，优化的参数如表 1 所示.

表 1 天线结构参数

3 结果与讨论

天线印刷在相对介电常数为2.2的聚四氟乙烯介质基板上，图 8 为天线的实物图.采用Agilent公司N5221A矢量网络分析仪测量天线的反射系数，Lab-Volt公司8092型自动天线测量系统测量天线的辐射方向图.

图 8 天线的实物图

图 9 为天线仿真和测量的S参数.由图 9 可知，仿真的-10 dB阻抗带宽为 5.39 GHz～8.96 GHz，测试的阻抗带宽为53.4%(5.5 GHz～9.5 GHz).测量结果与仿真结果的差异主要源于天线的介电常数偏差以及加工误差.

图 9 天线的S参数

图 10 给出了天线在6.1 GHz和8.5 GHz的归一化辐射方向图.从图 10 中可以看出，测量与仿真结果基本一致，天线在6.1 GHz处辐射模式良好，8.5 GHz处略有恶化.

(a) at 6.1 GHz

图 11 给出了所设计天线的增益曲线.由图 11 可知，天线的增益范围为7.8 dBi～10.8 dBi.另外，图 11 给出了文献[13]的增益曲线，可见文献的天线增益在6 dBi～10.7 dBi之间变化，本文天线在工作频带范围内具有稳定的增益性能.

图 11 天线的增益

表 2 给出了本文和文献中宽带超表面天线的性能比较.由表 2 可知，除文献[13]中报道的天线以外，本文天线的带宽最大.另外，本文天线的增益比大部分天线都高.与文献[13]相比，本文增益较为稳定.

表 2 宽带超表面天线的性能比较

4 结 论

本文设计了一种基于特征模分析的宽带超表面天线.使用特征模理论分析方法，设计了具有良好辐射性能的宽带超表面结构.采用缝隙耦合方式，通过组合超表面的谐振模式和缝隙天线的谐振模式实现了宽带.测量结果表明，天线的相对带宽为53.4%，增益为7.8 dBi～10.8 dBi，同时还具有较好的方向图，并且结构简单，成本较低，易于加工，具有较好的应用前景.