郭鋒 徐永杰

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司廣州510663）

超材料在S波段天線陣中的應(yīng)用

郭鋒 徐永杰

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司廣州510663）

提出一種新型的超材料結(jié)構(gòu)作為介質(zhì)覆蓋層，將其應(yīng)用于圓極化微帶天線中，提高了天線的增益和帶寬。基于復(fù)合右/左手傳輸線（Composite Right/Left Handed Transmission Line，CRLH TL）的超材料結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一款正交饋電網(wǎng)絡(luò)，與傳統(tǒng)的饋電網(wǎng)絡(luò)相比，插損更低、尺寸更小?；谝陨显O(shè)計(jì)，制作了2×2元天線陣實(shí)物，實(shí)測(cè)VSWR≤1.5的相對(duì)阻抗帶寬為37.1%，最大增益為15.6dB。

超材料；圓極化；饋電網(wǎng)絡(luò)；天線陣

Class NumberTN965·2

1 引言

為了適應(yīng)S波段通信終端的發(fā)展，天線的設(shè)計(jì)要同時(shí)兼顧多種性能指標(biāo)，如小型化、高增益、寬頻帶、高隔離度等，傳統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)手段越來(lái)越無(wú)法滿足系統(tǒng)的需求?！俺牧稀笔且环N人工合成材料，通過(guò)對(duì)一些周期結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行尺寸和形狀的合理有序的設(shè)計(jì)，使這些材料獲得自然界常規(guī)材料所沒(méi)有的新特性［1］。超材料的提出為天線設(shè)計(jì)打開(kāi)了一扇嶄新的大門(mén)，很多傳統(tǒng)天線設(shè)計(jì)手段無(wú)法解決的難題，通過(guò)超材料可以很好地得到解決，因此近年來(lái)得到了蓬勃發(fā)展，許多具有新穎結(jié)構(gòu)和獨(dú)特特點(diǎn)的天線應(yīng)運(yùn)而生。

微帶圓極化天線具有體積小、重量輕、剖面低、易共形、饋電方式多樣化等諸多優(yōu)點(diǎn)，在通信終端領(lǐng)域備受親睞［2～3］。但微帶天線屬于諧振天線，帶寬很窄，損耗較大、增益較低。針對(duì)微帶天線的這些不足之處，自從2000年以后，科研工作者將超材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用微帶圓極化天線中，用以改進(jìn)和優(yōu)化微帶圓極化天線的性能。文獻(xiàn)［4～5］利用螺旋狀超材料結(jié)構(gòu)取代天線的介質(zhì)基板，這不僅使天線的尺寸、質(zhì)量得到減小，同時(shí)還省去了介質(zhì)基板的成本；文獻(xiàn)［6］設(shè)計(jì)了超材料的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)并加載在介質(zhì)板內(nèi)部，通過(guò)調(diào)整補(bǔ)償結(jié)構(gòu)在介質(zhì)基板中的位置，可以對(duì)天線的性能進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。上述文獻(xiàn)提出的超材料結(jié)構(gòu)加工相對(duì)復(fù)雜，仿真時(shí)需要考慮優(yōu)化的參數(shù)較多，同時(shí)面臨著加工工藝的挑戰(zhàn)。如何利用相對(duì)簡(jiǎn)單的超材料結(jié)構(gòu)來(lái)高效地拓展圓極化微帶天線的帶寬和提高微帶圓極化天線的增益，這是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為了滿足S波段通信終端的苛刻要求，本文提出一種在微帶圓極化天線上方加載的新型超

材料結(jié)構(gòu)，既提高了天線的增益，又拓展了天線的帶寬，同時(shí)利用復(fù)合右/左手傳輸線的超材料結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一款小型化正交饋電網(wǎng)絡(luò)，基于以上設(shè)計(jì)，制作了2×2元天線陣實(shí)物。實(shí)測(cè)和仿真結(jié)果吻合較好，從而驗(yàn)證了該超材料結(jié)構(gòu)的正確性和實(shí)用性。

2 天線單元設(shè)計(jì)

2.1 超材料結(jié)構(gòu)單元的設(shè)計(jì)

在微帶圓極化天線的上方加載超材料結(jié)構(gòu)可以改善天線的帶寬和增益［7］，這種方法的原理是根據(jù)雙負(fù)超材料結(jié)構(gòu)材料所具有的特殊電磁效應(yīng)，能有效調(diào)控天線貼片附近的表面波，因?yàn)槌牧辖Y(jié)構(gòu)具有聚焦特性，天線表面激勵(lì)的電磁波就可以被有效的匯聚，進(jìn)而更有效地改善天線的帶寬和增益。

圖1 為提出的新型超材料結(jié)構(gòu)單元模型，將銅片印制在介質(zhì)基板上下表面，在結(jié)構(gòu)單元的外面建立空氣盒子，空氣盒子的兩側(cè)分別設(shè)置為理想磁壁和理想電壁。電磁波沿著Z方向入射，磁場(chǎng)沿著X方向，電場(chǎng)沿著Y方向。對(duì)均勻平面電磁波沿Z方向照射中的超材料的反射系數(shù)Sll和透射系數(shù)S21進(jìn)行仿真，進(jìn)而得到反射曲線以及透射曲線，如圖3所示。由圖3中可以看出在1.6GHz～2.35GHz頻率范圍內(nèi)反射系數(shù)小于-10dB，利用此超材料結(jié)構(gòu)在工作頻段的電磁效應(yīng)，沿著基底傳播的表面波可以得到很好的調(diào)控，天線福射到空間的電磁波的強(qiáng)度會(huì)有所增強(qiáng)，天線的帶寬和增益進(jìn)而得到改善。

2.2 天線單元的設(shè)計(jì)

圖3為天線單元的結(jié)構(gòu)示意圖。天線單元由三層介質(zhì)疊層而成。上層為超材料結(jié)構(gòu)單元覆蓋層，中間為圓形輻射貼片層，兩層中間引入空氣層，下層為饋電網(wǎng)絡(luò)層，上層基板采用介電常數(shù)為3.55的介質(zhì)材料，中間和下層基板采用介電常數(shù)為2.55的介質(zhì)材料。

天線采用探針饋電結(jié)構(gòu)，貼片中的兩個(gè)點(diǎn)為饋電點(diǎn)，采用寬帶90°耦合器網(wǎng)絡(luò)獲得兩個(gè)相位依次為0°、90°的等幅激勵(lì)，寬帶90°饋電網(wǎng)絡(luò)輸出端接有兩個(gè)相互垂直的探針給天線饋電，最終獲得圓極化輻射。圓形貼片尺寸計(jì)算根據(jù)下面公式［8］：

其中χ′11=1.841，c為自由空間光速，a是計(jì)邊緣效應(yīng)后的等效半徑，a′為物理半徑。接地板尺寸受饋電網(wǎng)絡(luò)尺寸的限制，選擇72mm×72mm。為了增加波束寬度，將天線介質(zhì)襯底延伸，超出接地板適當(dāng)距離，這里選擇80mm×80mm。各參數(shù)尺寸見(jiàn)表1所示。

表1 各參數(shù)尺寸（mm）

2.3 天線單元的仿真結(jié)果

對(duì)覆蓋新型超材料結(jié)構(gòu)的天線單元和未覆蓋新型超材料結(jié)構(gòu)的天線單元進(jìn)行仿真，得到天線的反射系數(shù)和天線的增益，分別如圖4、圖5所示。

由圖4和圖5可以看出，覆蓋超材料的天線單元帶寬和增益指標(biāo)明顯優(yōu)于沒(méi)有覆蓋超材料的天線單元。因此，覆蓋超材料的天線單元可以作為天線組陣的單元。

3 正交饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

3.1 正交饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

復(fù)合右/左手傳輸線（Composite Right/Left Handed Transmission Line，CRLH TL）是超材料的傳輸線實(shí)現(xiàn)形式［9～10］，它具有的相位補(bǔ)償、非線性相位響應(yīng)和零階諧振等特性，被廣泛應(yīng)用于微波無(wú)源器件的設(shè)計(jì)中［11］。

由于存在寄生效應(yīng)，超材料的左手傳輸線只是一種理想的情況，它與右手傳輸線一起構(gòu)成了復(fù)合右/左手傳輸線。當(dāng)電磁波在右手傳輸線中傳播時(shí)，相速度與群速度方向相同，表現(xiàn)為相位滯后，具有負(fù)的相移；而左手傳輸線在正的群速度方向相位超前，具有正的相移。因此，將右手傳輸線和左手傳輸線級(jí)聯(lián)起來(lái)形成的CRLH傳輸線在一定頻率范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)正、負(fù)或者零度相位。圖6給出了一種CRLH傳輸線的實(shí)際電路結(jié)構(gòu)單元模型，其中，C是加載串聯(lián)電容值，L是加載并聯(lián)電感值，Z0為微帶線的特性阻抗，d為加載電容之間微帶線的長(zhǎng)度。

只要調(diào)節(jié)L和C，就可以可調(diào)節(jié)電路的相位。這就是相位補(bǔ)償原理。雙饋點(diǎn)圓極化天線需要正交饋電，可采用圖6所示的電路結(jié)構(gòu)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)相移。

設(shè)計(jì)的饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖7所示，它由三個(gè)Wilkingson功分器、若干組CRLH-TL單元及傳統(tǒng)的微帶移相線組成。由于Wilkingson功分器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且具有較好的隔離特性，能夠避免四個(gè)端口的信號(hào)相互耦合，影響天線性能，其中隔離電阻R= 100Ω。信號(hào)由端口P1輸入，第一個(gè)Wilkingson功分器將信號(hào)分為兩路等幅同相信號(hào)，這兩路信號(hào)分別經(jīng)過(guò)一組CRLH-TL和傳統(tǒng)微帶移相線后形成+45°和-45°的相移，從而實(shí)現(xiàn)了90°相位差。同理，分別再對(duì)這兩路等幅正交的信號(hào)重復(fù)這一功分移相過(guò)程，即可實(shí)現(xiàn)四個(gè)端口的正交饋電。

3.2 正交饋電網(wǎng)絡(luò)的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果

運(yùn)用電磁仿真軟件ADS2011搭建原理圖并進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 給出了輸入端口的反射系數(shù)曲線和任意兩輸出端口的反射系數(shù)曲線、傳輸系數(shù)曲線。圖中可以看出，各端口的反射特性較好，在圖中全頻段范圍內(nèi)，反射系數(shù)都小于-15dB，而兩傳輸系數(shù)曲線基本重合，圖中給出了中心頻率1.97GHz處，某一端口的傳輸系數(shù)為-6.038dB?！?0o的相位差頻率范圍為1.66GHz～2.28GHz。圖9則是輸出端口對(duì)應(yīng)的相位響應(yīng)曲線，曲線顯示任意兩端口的相位相差90°，為正交端口。

對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，并制作了正交饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)物如圖10所示。圖11給出了P1、P2、P3端口的反射系數(shù)實(shí)測(cè)曲線和2、3端口的傳輸系數(shù)實(shí)測(cè)曲線；圖12給出了P2、P3端口的相位實(shí)測(cè)曲線。測(cè)試結(jié)果表明：在1.8GHz～2.3GHz頻率范圍內(nèi)，三個(gè)端口的反射系數(shù)均小于-15dB，插入損耗最大為0.44dB，±10°的相位差頻率范圍為1.75GHz～2.27GHz。測(cè)試與仿真結(jié)果基本吻合，相位差帶寬略微收窄是由于集總元件取值不連續(xù)造成的。

4 天線陣的設(shè)計(jì)

4.1 連續(xù)旋轉(zhuǎn)饋電組陣

利用基于復(fù)合右/左手傳輸線的超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正交饋電網(wǎng)絡(luò)，P1、P2、P3、P4四個(gè)端口信號(hào)幅度相等、相位依次為0°、90°、180°、270°，四個(gè)端口分別對(duì)接對(duì)天線單元進(jìn)行饋電的寬帶90°耦合器網(wǎng)絡(luò)，從而組成了2×2元天線陣的饋電網(wǎng)絡(luò)。運(yùn)用連續(xù)旋轉(zhuǎn)組陣法，依次對(duì)天線單元旋轉(zhuǎn)90°進(jìn)行組陣，改善天線陣列的圓極化性能，增加軸比帶寬，減小交叉極化電平。因此，利用四個(gè)圓極化輻射元組合再次形成圓極化陣列，不僅能在原有寬帶圓極化單元的基礎(chǔ)上獲得更寬的圓極化帶寬，更有利于其在平面陣列中的集成應(yīng)用。

4.2 天線陣的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果

基于以上設(shè)計(jì)，對(duì)該天線陣進(jìn)行了電磁仿真和參數(shù)優(yōu)化，得到陣列天線的VSWR、增益和軸比特性曲線。并根據(jù)優(yōu)化參數(shù)制作了陣列天線實(shí)物，如圖13所示。在微波暗室對(duì)天線陣實(shí)物進(jìn)行了測(cè)試，圖14給出了駐波比實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果，實(shí)測(cè)在1.58GHz～2.30GHz頻率范圍內(nèi)VSWR≤1.5，相對(duì)阻抗帶寬約為37.1%，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好；圖15給出了天線陣增益實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果，實(shí)測(cè)最大增益為15.6dB，比仿真時(shí)的最大增益低1.5 dB，實(shí)測(cè)的增益曲線趨勢(shì)與仿真的增益曲線趨勢(shì)一致；圖16給出了天線陣在1.8GHz～2.2GHz時(shí)的軸比實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果，在此頻段內(nèi)，軸比均小于3 dB，實(shí)測(cè)與仿真的趨勢(shì)一致。陣列天線實(shí)測(cè)和仿真結(jié)果趨勢(shì)一致，從而驗(yàn)證了該超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的正確性和實(shí)用性。

5 結(jié)語(yǔ)

基于S波段通信終端的迫切需求，設(shè)計(jì)了一種新型的超材料結(jié)構(gòu)作為天線的介質(zhì)覆蓋層，提高了天線的增益和帶寬；基于復(fù)合右/左手傳輸線的超材料結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了應(yīng)用于圓極化天線陣的正交饋電網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了任意輸出端口的相位正交?；谝陨显O(shè)計(jì)，制作了2×2元天線陣實(shí)物，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好。該天線陣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工、成本低廉，可滿足S波段通信終端設(shè)備的寬帶、高增益和集成化應(yīng)用。

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Application of Metamaterial in S Band Antenna Array

GUO FengXU Yongjie
（Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company，Guangzhou510663）

metamaterial，circular polarization，feeding，array antenna

TN965·2

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.06.013

2016年12月5日，

2017年1月27日

郭鋒，女，碩士，工程師，研究方向：天線理論與技術(shù)、微波電路與系統(tǒng)等。徐永杰，男，碩士，工程師，研究方

向：天線理論與技術(shù)、微波電路與系統(tǒng)等。

Abstrate In this paper，a wideband and high gain circular-polarized microstrip antenna of four-element array at S-band is described，which is based on metamaterial as the substrate coating and the quadrature phase feeding structure.The feeding based on the Composite Right/Left Handed Transmission Line compared with the original feeding，the size and insertion loss are decreased.A 2×2-element microstrip array is developed based on element and feeding，the measured results show that the relative impedance bandwidths can reach 37.1%whichVSWR≤1.5 is obtained，the maximum gain is about 15.6dB，The measured results are good agreement with the simulated results.