低剖面极化可重构超表面天线

张永亮 方琴 巫钊 魏永峰

（1. 内蒙古大学交通学院，呼和浩特 010021；2. 内蒙古大学电子信息工程学院，呼和浩特 010021；3. 玉林师范学院物理与电信工程学院，玉林 537006）

引 言

无线通信技术的快速发展和无线通信系统的需求增长，使得通信环境变得越来越复杂，导致多径反射和极化失配增加，进而影响通信. 为提高无线通信系统的质量和容量，将天线进行可重构设计是其中一种较为热点的解决方案[1-3]. 其中，极化可重构天线可以实现极化分集、提高信道容量和通信质量. 超表面作为二维形式的电磁超材料，可以对电磁波的特性进行有效调控[4-6]，为天线设计和优化提供了一种新的技术方法. 超表面天线可以使系统结构紧凑、成本低、结构简单，同时增加天线增益并提高其辐射效率[7-19]. 因此设计基于超材料的极化可重构天线具有实际意义. 文献[10] 采用编码极化转换器设计了3D 打印介质透镜，该透镜具有线极化-圆极化转换和波束赋形性能. 单一线极化波垂直入射编码极化转换器以后，可以同时产生左旋圆极化(left-hand circular polarization, LHCP)和右旋圆极化(right-hand circular polarization, RHCP)出射波，且其波束具有一定的偏移角度. 文献[11]提出一种极化可控双频天线，该天线使用加载非双各向异性互补分裂环谐振腔的超表面，具有结构紧凑、宽波束等优点. 文献[15]提出了一种适用于5 GHz 无线人体局域网应用的可穿戴全纺织品超表面天线来实现线性极化和圆极化之间的转换. 该天线包括用作高介电常数层的全纺织超表面和带外平面F 型天线，高介电常数的超表面被放置在宽带平面倒F 天线的正上方，以实现最小化尺寸并改善天线性能.

本文研究设计了一种基于超表面覆层的低剖面极化可重构天线，为使天线具有低轮廓和紧凑的结构，天线的缝隙和超表面直接接触. 将缝隙层设计为X 字型缝隙，通过直流偏置电路控制，可以实现三种极化状态转换，比文献[16]多了一种极化状态. 将馈源天线介质层设计为T 字型，使直流偏置电路更简单，集总元件更少，不仅可以降低直流偏置电路对天线性能的影响，也大大降低了制板成本. 为验证天线性能，加工了天线样机并在暗室中对其进行了测量，验证了天线的性能.

1 可重构天线的设计与分析

1.1 天线结构

如图1 所示，天线由三部分组成：超表面覆层、缝隙耦合天线和直流偏置控制电路. 超表面参数为l=10.5 mm、w=6.5 mm、g=1 mm，缝隙耦合天线参数为lg=13.6 mm、wg=6 mm、lf=25.5 mm、wf=2 mm、gf＝0.4 mm. 超表面和天线基板均使用FR4( εr=4.4，tan δ=0.01)介质板，厚度分别为h=3 mm 和t=1 mm. 将中间缝隙层更改为“X”字型缝隙来产生两种圆极化状态，长度和宽度分别为ls＝20 mm、ws＝3 mm，缝隙地板上的缝隙与馈电线之间的夹角θ=42°. 直流偏置电路由Skyworks 生产的八个SMP1322 型PIN 开关组成，分为四个开关对，分别标记为PIN1、PIN2、PIN3和PIN4. 直流偏置线有五条，其中一根连接地线作为偏置电路的负极，另外四根直流偏置线分别连接到“X”字型缝隙的四块金属贴上来控制四个开关对.

图1 天线的结构图Fig. 1 Geometry of the proposed antenna

1.2 理论分析

当开关PIN1 和PIN2 接通，而PIN3和PIN4 断开时，天线工作在线性极化状态LP1，如图2(a)所示. 当开关PIN1 和PIN2 断开，而PIN3 和PIN4 接通时，天线工作在另一个线性极化状态LP2，如图2(b)所示.这两种状态下，其电场E在y轴上的分量为零，只有x轴上的分量，因此只能产生线性极化波. 当PIN1和PIN4 断开，而PIN2 和PIN3 接通时，孔径激发的电场E与“X”字型缝隙耦合正交，该电场可分解为两个正交电场分量即x轴方向E1和y轴方向E2，E1沿x轴方向激励电磁超表面，并产生等效的RLC 谐振电路，如式(1)所示：

式中：C1是x轴方向上相邻贴片之间的等效电容；R1和L1是x轴方向上每个贴片的等效电阻和等效电感.

由于电磁超表面覆层的不对称性，电场分量E2将产生不同的等效表面阻抗，如式(2)所示：

式中：R2、L2和C2分别是每个贴片在y轴方向上的等效电阻、等效电感和等效电容.

考虑缝隙层与超表面覆盖层的相互耦合作用，“X”字型缝隙与x轴的夹角为θ=42°.x轴和y轴方向上的等效表面阻抗大小近似相等，即|Z1|≈|Z2|，且相位差(φx-φy)约为90°，辐射出RHCP，如图2(c)所示.同理，当PIN1 和PIN4 接通，PIN2 和PIN3 断开时，天线最终会辐射出LHCP，如图2(d)所示.

图2 不同工作状态下的天线示意图Fig. 2 Schematic diagram of the antenna in different work states

图3 为天线在4.7 GHz 频点处LHCP 和RHCP工作状态下缝隙与馈线不同的夹角θ 对天线轴比的影响. 两种状态下，当θ=40°和θ=44°时，天线轴比带宽不仅变窄，且中心频点也向左发生了偏移；只有θ=42°时天线轴比带宽最宽，同时中心频点没有发生偏移.

图3 LHCP 和RHCP 状态下不同夹角θ 对轴比的影响Fig. 3 The effect of different rotation angles on the axial ratio in LHCP and RHCP states

图4 为天线在4.7 GHz 频点处不同工作状态下的表面电流分布，T为一个时间周期. 可以看出：图(a)中天线的表面电流沿着顺时针方向改变，因此该天线在+z轴方向为LHCP；图(b)中天线的表面电流分布沿着逆时针方向改变，因此该天线在+z轴方向为RHCP；图(c)中天线在任何时间相位上的主要表面电流方向均在x轴方向上，表现为LP1 特性，LP2 工作状态下的面电流分布与LP1 一样.

图4 不同工作状态下的表面电流分布Fig. 4 Surface current distribution of the antenna under different operating conditions

2 天线实测结果及分析

为验证天线性能，加工了天线样机并在暗室中对其进行了测量，如图5 和图6 所示.

图5 天线实物图Fig. 5 Prototype of the fabricated proposed antenna

图6 暗室中的天线测量图Fig. 6 Fabricated prototype under measurement in the anechoic chamber

仿真和实测的天线反射系数如图7(a) 所示. 在四个工作状态下天线仿真的共享工作频带为4 GHz～5.3 GHz，相对带宽为28.0%；相对应实测的共享工作频带为4～5.4 GHz，相对带宽为29.8%，测量结果与仿真结果吻合良好. 天线仿真和实测的增益如图7(b) 所示，测得的实际增益带宽为4～5.7 GHz，平均增益大于5 dBi，测量和模拟实际增益之差约为0.3 dBi，天线仿真与实测实际增益偏差较小. 仿真和实测的轴比如图7(c)所示，可以看出，天线在圆极化状态下共享3 dB 轴比带宽为8.3%，从4.6～5 GHz，仿真和测量结果吻合良好.

图7 不同工作状态下的仿真和测量结果Fig. 7 Simulated and measured results in different work tates

图8 为4.7 GHz 频点处不同状态下的仿真和实测归一化方向图. 可以看出，天线在所有状态下都具有良好的工作特性.

图8 不同工作状态下的归一化方向图Fig. 8 Normalized radiation patterns in different work states

3 结 论

本文提出的超表面极化可重构天线可以在线极化、LHCP 和RHCP 三种极化状态之间转换，在星载、机载、舰载、车载等诸多平台上有着广泛的应用前景，与同类型天线相比，本文所提出的天线结构紧凑、控制简单、制造成本低. 对天线样机进行了加工，并给出了实测反射系数、实际增益、轴比和归一化辐射方向图. 测量结果表明：天线在不同状态下的共享-10 dB 阻抗带宽为29.8%，从4.0 ～5.4 GHz；3 dB AR 带宽为8.3%，从4.6～5.0 GHz；且在所有工作状态下，天线的增益都大于5 dBi. 仿真结果与实测结果吻合良好，验证了天线良好的性能.