基于超表面的紧耦合阵列天线设计

乔大育, 韩丽萍

(山西大学 物理电子工程学院, 山西 太原 030006)

0 引 言

随着无线通信技术的快速发展, 图像、 音频等通讯信息量日益增大, 对天线的带宽、 增益等各方面的性能提出了更高的要求。 阵列天线因具有高增益、 高功率、 相位扫描、 方向图赋形等优势, 在无线通信系统中得到了广泛的应用。 然而,由于通信系统空间受限, 实际中阵列天线单元的间距逐渐压缩, 单元间的紧耦合导致了阵列天线的信道容量减小、 工作效率降低、 方向图畸变等问题。 目前, 应用广泛的解耦方法有缺陷地结构解耦[1-2]、 解耦网络解耦[3]及谐振结构解耦[4]等,这些方法存在带宽窄、 结构复杂或占用空间大的问题。 近年来, 超表面(MTS)凭借其强大的电磁波调控能力在天线解耦方面得到了广泛应用, 超表面加载于阵列天线上方, 会改变天线单元间耦合电磁波的传播波数, 从而减小耦合电场, 降低互耦[5], 基于超表面解耦的阵列天线具有结构简单、 天线单元间距小等优点。

阵列天线的解耦超表面分为开槽型和贴片型。文献[6-7]通过刻蚀4×6“H”形槽或4×5方形槽的超表面解耦, 隔离度均提高了15 dB以上, 天线的单元间距(边到边的距离)均为0.023λ0, 剖面高度均为0.194λ0。 文献[8-9]利用圆形或方形开口谐振环组成的5×7超表面解耦, 隔离度提高到25 dB, 天线的单元间距均为0.02λ0, 剖面高度分别为0.15λ0和0.18λ0。 文献[10-11]通过矩形条带组成的4×10双层超表面解耦, 隔离度均提高了15 dB, 天线的单元间距分别为0.035λ0和0.15λ0, 剖面高度分别为0.443λ0和0.306λ0。 文献[12]利用“工”字形单元组成的5×7双层超表面解耦, 隔离度提高了8 dB, 天线的单元间距为0.017λ0, 剖面高度为0.183λ0。 上述文献中天线的剖面较高, 单元间距较大。

本文设计了一种低剖面紧耦合阵列天线, 加载5×6耶路撒冷十字单元组成的超表面提高天线单元间的隔离度, 通过在矩形辐射贴片上刻蚀U 形缝隙改善阻抗匹配。 天线单元间距为0.015λ0, 剖面高度为0.1λ0.测量结果表明, 该天线的工作频段为3.3 GHz～3.7 GHz, 隔离度提高了10.5 dB, 在频带内具有良好的辐射特性。

1 超表面解耦原理及单元设计

图1为超表面解耦原理图, 其中天线1被激励, 天线2接50Ω 负载。 未加载超表面时, 天线间的耦合电磁波沿x轴正方向传播, 传播波数k可以表示为

图1 超表面解耦原理Fig.1 Principle of metasurface decoupling

在阵列天线上方加载不同介电常数和磁导率的超表面, 会对耦合电磁波的传播波数产生影响。 根据式(1)可知, 加载具有负介电常数(εx＜0)和正磁导率

式(3)表明耦合电场在x轴方向上随着距离的增大而减小, 电磁波主要沿z轴方向传播, 因此, 加载负介电常数(εx＜0)和正磁导率(μx＞0)的超表面能有效减小天线单元间的互耦。

在超表面解耦原理的基础上, 设计了耶路撒冷十字超表面单元。 图2(a) 为超表面单元的仿真模型, 采用Floquet端口法对超表面单元进行仿真, 得到无限表面的反射和透射系数, 如图2(b)所示, 超表面单元在3.5 GHz处具有最大反射系数和最小透射系数。 利用Matlab反演算法计算出超表面单元的结构参数, 如图2(c) 所示, 超表面单元在3.3 GHz～3.7 GHz频段, 介电常数实部为负, 磁导率实部为正。

图2 耶路撒冷十字超表面单元Fig.2 Jerusalem-cross metasurface unit cell

2 基于超表面的紧耦合阵列天线

本文设计的天线结构如图3所示, 由超表面和阵列天线组成。 超表面印刷在上层介质基板,二单元贴片天线印刷在下层介质基板, 两层介质基板用高度h2的空气层隔开。 超表面由5×6耶路撒冷十字单元组成, 矩形贴片上蚀刻一个U 形缝隙用于改善天线的阻抗匹配。 介质基板选用厚度为1.6 mm 的FR4, 相对介电常数和损耗角正切分别为4.4和0.02, 采用商业电磁软件HFSS仿真分析, 优化的参数如表1所示。

表1 天线结构参数Tab.1 Parameters of antenna structure

图3 天线结构示意图Fig.3 Configuration of antenna structure

图4为加载超表面前后天线的S参数曲线,由图可知, 未加载超表面时, 天线的阻抗带宽为3.42 GHz～3.57 GHz, 单元间隔离度为7.5 dB;加载超表面后, 由于天线与超表面之间耦合产生了新的谐振点, 阻抗带宽展宽为3.19 GHz～3.77 GHz, 天线隔离度提高到18 dB。

图4 天线S 参数Fig.4 S-parameters of antenna

为了进一步解释超表面的解耦原理, 研究了天线的表面电流分布。 图5为加载超表面前后的表面电流分布, 天线1被激励, 天线2接50Ω负载。 由图5(a)可知, 未加载超表面时, 天线2存在较强的耦合电流; 由图5(b) 可知, 加载超表面后, 天线2的耦合电流明显减少, 说明超表面能有效地减少单元间的耦合波, 实现良好的解耦效果。

图5 天线表面电流分布Fig.5 Surface current distribution of antenna

3 参数分析

通过对天线进行敏感性分析, 发现U 形缝隙的长度、 空气层的高度以及超表面单元的数量对天线性能影响较大。 分析某一参数对天线性能的影响时, 其他参数均保持不变。

图6给出了U 形缝隙的长度ls(ls=2*l2+w2)对天线S参数的影响, 在工作频段内, 随着ls的增大, 低频段的阻抗匹配逐渐变好, 高频段的阻抗匹配逐渐变差, 隔离度变化不大。 当ls=7 mm 时, 天线的S11在工作频段内达到-15 dB以下, 匹配性能最好。

图6 不同ls时的S 参数Fig.6 S-parameters for different ls

图7给出空气层的高度h2对天线S参数的影响, 在工作频带内, 随着h2的增大, 天线的阻抗匹配逐渐变差, 低频段隔离度逐渐增大, 高频段隔离度逐渐减小。 当h2=5 mm 时, 天线的S21在工作频段内达到-18 dB以下, 满足设计要求。

图7 不同h 2 时的S 参数Fig.7 S-parameters for different h 2

图8给出超表面单元的数量对天线S参数的影响, 在工作频带内, 随着超表面单元数量的增加, 天线的阻抗匹配逐渐变好, 低频段隔离度逐渐减小, 高频段隔离度先增大后减小。5×6超表面在工作频段内,S11达到-15 dB以下,S21达到-18 dB以下, 同时实现了最好的匹配性能和解耦效果。

图8 不同超表面单元数量的S 参数Fig.8 S-parameters for different numbers of metasurface units

4 结果与讨论

天线印刷在相对介电常数为4.4的FR4介质基板上, 图9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S参数,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9 天线实物图Fig.9 Fabricated photographs of antenna

图10为天线仿真和测量的S参数曲线, 由图可知, 仿真与测量结果基本一致, 仿真的-10 dB阻抗带宽为16.98%(3.18 GHz～3.77 GHz),-18 dB解耦带宽为11.40%(3.3 GHz～3.7 GHz);测量的-10 dB阻抗带宽为13.83%(3.23 GHz～3.71 GHz),-18 dB 解耦带宽为10.34%(3.3 GHz～3.66 GHz)。 测量结果与仿真结果的差异主要源于介质基板的介电常数偏差以及加工误差。

图10 天线S 参数Fig.10 S-parameters of antenna

图11为天线在3.5 GHz处的归一化辐射方向图, 其中天线1被激励, 天线2接50Ω负载。

图11 天线辐射方向图Fig.11 Radiation patterns of antenna

由图11可知,测量与仿真结果基本一致,加载超表面前后, 阵列天线能够实现较好的宽边辐射。 图12为天线的增益曲线, 由图可知, 加载超表面前后, 天线的仿真峰值增益从2.56 dB提高至5.7 dB, 天线的实测峰值增益从1.28 dB提高至4.52 dB。

图12 天线增益Fig.12 Gain of antenna

表2给出了本文天线和文献中天线的性能比较。 由表可知, 本文天线的单元间距最小(0.015λ0), 剖面最低(0.1λ0)。

表2 基于超表面解耦的天线性能对比Tab.2 Performance comparison of antennas based onmetasurface decoupling

5 结 论

本文设计了一种应用在WiMAX 3.5 GHz频段的紧耦合阵列天线, 加载耶路撒冷十字超表面提高天线单元间隔离度, 单元间距为1.3 mm(0.015λ0), 剖面高度为8.2 mm(0.1λ0).测量结果表明,-10 dB 阻抗带宽为13.83%(3.23 GHz～3.71 GHz),-18 dB 解耦带宽为10.34%(3.3 GHz～3.66 GHz)。 天线结构简单,成本较低, 易于加工, 具有良好的辐射特性。