一种基于超表面的方向图可重构天线

张永亮 蔡垚 刘丽娜 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

近年来，虽然无线网络通信技术得到了巨大的发展[1]，但在某些特定领域，例如卫星通信、遥感、信号接收和传输，则要求天线具备更多功能. 同时，随着5G 技术的快速部署，人们对功能更强大、用途更广且外形更小的天线有更大的需求[2-4]. 可重构天线一直是一个热门研究话题，在极化方式、频率和辐射方向图[5-19]中均能实现可重构. 方向图可重构天线通常可以通过以下三种方式来实现. 第一种方法是在辐射体上加载一些元件，例如PIN 二极管、RF-MEMS和变容二极管. 这些植入的元件用于切换天线的工作状态，进而实现辐射方向图的重构. 第二种方法是改变天线的物理结构，以实现辐射电流分布的重构，从而使天线在不同的状态下工作. 第三种方法是重构天线的电结构以获得可变的辐射孔径. 例如通过切换PIN 二极管和控制变容二极管来实现重构. 文献[1]提出了一种堆叠式贴片天线，利用两个与T 型馈线集成在一起的正方形贴片激励出低频谐振，但工作频带较窄，且较为复杂；文献[3]提出了一种与风车相似的环形天线，利用PIN 对天线进行控制，但该模型不仅工作频段窄，且控制电路复杂. 此外，传统的可重构天线还具有波束扫描范围窄、增益较低[4-5]，设计复杂繁琐[7-18]等问题，而利用超表面可以有效解决传统可重构天线存在的工作频带窄等问题，并实现方向图的重构[19-22].

通常超表面与源天线之间存在一定厚度的空气，这种结构不仅增加了天线的体积并使整个天线不稳定，因此选择缝隙天线作为源天线. 这样一来，超表面可以紧密接触源天线，以降低天线剖面. 除此之外，这样的结构还可以实现天线的小型化：通过使用超表面可以提高天线基板的电磁参数值，从而提高小型化因子，进而大大减小天线的尺寸.

针对传统可重构天线存在的问题，在原有工作[6,22]的基础上，本文介绍并讨论了可以在四种不同辐射状态下工作的可重构天线. 在该天线中利用超表面结构，以实现低剖面和紧凑的结构特性. 天线工作于5.5 GHz，可用于5G 移动通信. 与以往的研究相比，该天线具有直流偏置电路简单、集总元件少的特点.同时，为了验证所提出天线的性能，对天线进行了加工和实际测量.

1 天线结构设计

电磁带隙(electromagnetic band gap, EBG)结构作为人工电磁超表面的一种，可以由金属或者介质与金属的混合结构构成. 由D.Siebenpiper 等人提出的一种蘑菇型高阻抗表面(high impedance surface,HIS)，其基本单元结构可以看做一个尺寸远小于波长的矩形金属贴片，实验结果表明，周期排布的HIS 不仅可以抑制表面波，还对其具有相同的反射性[23]. 基于此，利用EBG 结构可以有效降低天线单元之间的互耦，提高天线的增益，改善天线的后向辐射[24]. 同时，采用EBG 结构还易于设计直流偏置电路，配合加载在表面的周期金属贴片间的二极管，可以方便有效地对方向图进行调控[25-27].

如图1 所示，本文所提出的可重构天线的结构包含两部分：一个是由3×4 矩形贴片组成的可重构超表面阵列；另一个是平面缝隙耦合天线，缝隙正交于馈线并嵌入接地平面. 在此设计中采用了一条简单的微带馈线，这样所提结构具有低剖面和紧凑的结构特性. 此外，在天线中使用六个PIN 二极管，将它们分为两组并标记为A 和B，如图1(a)所示. 矩形贴片通过这些PIN 二极管连接. 值得注意的是，顶层的3×4 矩形贴片在降低回波损耗方面起着至关重要的作用. 以状态1 为例，从图2 可以看出，去除矩形贴片后，天线的性能下降得较为明显.

图1 天线的几何结构Fig. 1 Geometry of the proposed antenna

图2 状态1 下有无顶部贴片的天线反射系数对比Fig. 2 Reflection coefficients of state 1 in different situations

直流偏置电路由六个金属化通孔组成. 顶层上的矩形贴片通过金属化通孔直接连接到底层上的直流偏置线. 值得一提的是，为了避免形成不必要的电流环路，必须将某些电路与中间层的缝隙接地点隔离开. 如图3(a) 所示，四种隔离点设置在缝隙地面上，并且不与金属化通孔相连，这四种金属化通孔分别用作两组PIN 二极管控制电路的正电极. 其余两个金属化通孔用作负极，它们连接到缝隙地.

图3 缝隙地及隔离点(a)和直流偏置电路的正负极(b)Fig. 3 Isolation points of the ground plane (a) and positive and negative poles of the DC bias circuit (b)

为进一步分析该天线的工作原理，对不同状态的表面电流进行分析，如图4 所示. 从图4(a)可以看出，当六个PIN 均处于OFF 状态时，即天线处于状态1，在整个孔径表面上沿x轴存在电场，特别是在远离激励端口的地方存在强电场. 因此，天线的主波束方向是在x轴方向上. 但是，只要PIN 的状态发生变化，孔径表面上的电场分布就会发生变化. 如图4(b) 所示，当A 组PIN 处于ON 状态而B 组处于OFF 状态时(黑色部分为导通PIN 二极管)，即天线处于状态2，在远离天线馈电端口的x轴方向上是一个强电场，而在-x轴方向上是一个弱电场. 因此，天线的主波束方向为+ 30°. 如图4(c) 所示，当A 组PIN 处于OFF 状态而B 组处于ON 状态时，即天线处于状态3，-x轴方向上的强电场远离天线馈电端口，x轴方向上的电场较弱. 因此，天线的主辐射方向为-30°，与状态2 对称. 而当A、B 组PIN 均处于ON 状态时，即天线处于状态4，天线表面沿x轴存在较弱的电场，此时主波束方向沿x轴方向，与状态1 相似，如图4(d)所示. 天线的不同工作状态及对应的PIN 开关状态如表1 所示.

图4 不同状态下天线的表面电流分布情况Fig. 4 Different PIN states and surface current distribution of the proposed antenna

表1 天线在不同状态下主波束方向Tab. 1 Main beam direction in different states

为了探究不同参数变化对天线反射系数的影响，对一些关键参数进行分析. 如图5 所示，以状态1 为例，对矩形贴片宽度W进行优化分析，可以看出，当矩形贴片宽度W分别取6 mm、7 mm、8 mm时，天线在5.5 GHz 附近S11均在-11 dB 以上；当W取7.5 mm 时，天线在5.5 GHz 附近S11达到了-15 dB，频段得到拓展. 对天线其他参数进行优化后，得到的最优数值如表2 所示.

图5 天线在不同贴片宽度W 下的反射系数Fig. 5 Reflection coefficients in different value of W

表2 天线的各项参数Tab. 2 Parameters of the proposed antenna

2 仿真与实测结果

对优化后的天线进行了加工，结果如图6 所示.通过切换电路的状态(ON 和OFF)，PIN 二极管可以串联连接矩形贴片并改变辐射方向图. 采用FR4(εr＝4.4，tan δ＝0.01) 作为天线与超表面覆层的基板材料，天线的整体尺寸为34 mm×33 mm×4 mm，具有低剖面的特点.

图6 天线实物及其测试环境Fig. 6 The fabricated metasurface superstrate antenna and its measurement environment

当天线在状态1 下工作时，主波束方向是在宽边方向，仿真和实测结果如图7 所示. 测得的阻抗带宽(|S11|< -10 dB)为44.8%；反射系数和辐射方向图的仿真和实测结果吻合较好.

图7 状态1 下天线的仿真及实测结果Fig. 7 Simulated and measured results in state 1

当天线在状态2 下工作时，主波束方向相对于宽边方向倾斜至+ 30°，仿真和实测结果如图8 所示.测得的阻抗带宽为16.7%.

图8 状态2 下天线的仿真及实测结果Fig. 8 Simulated and measured results in state 2

当天线在状态3 下工作时，主波束方向相对于宽边方向倾斜到-30°，仿真和实测结果如图9 所示.由于天线结构的对称性，反射系数的仿真和实测结果与状态2 相同.

图9 状态3 下天线的仿真及实测结果Fig. 9 Simulated and measured results in state 3

当天线在状态4 下工作时，主波束方向为宽边方向，仿真和实测结果如图10 所示. 测得的阻抗带宽(|S11|< -10 dB)为9.1%.

图10 状态4 下天线的仿真及实测结果Fig. 10 Simulated and measured results in state 4

由图11 可知，虽然状态1 和状态4 的主波束方向都在宽边方向，但其3 dB 带宽增益有所不同. 在状态1 中，3 dB 波束宽度为80°；而在状态4 中，3 dB 波束宽度为136°. 因此，状态4 的天线增益小于状态1 的天线增益，从而导致其工作频段相较于状态1 更窄，未来可通过增加矩形贴片数量来提高其工作带宽. 而由于制作金属通孔的技术水平限制以及焊接PIN 二极管时使用的锡对天线性能的影响，在这四种工作状态下，实测结果和模拟结果之间存在一定误差.

图11 四种状态下仿真及实测增益Fig. 11 Simulated and measured results in four working states

3 结 论

本文提出了一种具有四种工作状态的超表面方向图可重构天线. 通过PIN 二极管调整超表面矩形贴片上的表面电流分布，主波束辐射方向可以相对于xoz平面的法线方向±30°之间改变. 同时给出了在5.5 GHz 下四种状态的反射系数和归一化辐射方向图的结果，该天线在不同工作状态下的共享阻抗带宽为4.2%. 这种方向图可重构天线可以形成具有低剖面和大扫描角的C 波段波束扫描阵列，实际应用中还可根据目标方位灵活选择辐射方向，在避免噪声干扰的同时提高了通信的安全性，具有较好的实际应用价值. 未来进入5G 移动通信时代，毫米波的广泛应用将极大地提高通信容量和速度，因此后续的工作重点将放到毫米波研究上来，研究和设计出毫米波方向图可重构天线.