馬學(xué)禮，馮全源

(西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610031)

小型超表面圓極化天線(xiàn)設(shè)計(jì)

馬學(xué)禮，馮全源

(西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610031)

針對(duì)普通圓極化天線(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜和面積過(guò)大的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款小型化的圓極化縫隙天線(xiàn)，通過(guò)加載超表面來(lái)實(shí)現(xiàn)小型化和圓極化。該超表面天線(xiàn)可以把2個(gè)垂直線(xiàn)極化波合成為1個(gè)圓極化波，采用不規(guī)則的斜十字結(jié)構(gòu)，尺寸僅為25 mm×25 mm×4 mm，就可以在5.74～5.87 GHz范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軸比小于3 dB。該天線(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、輻射特性?xún)?yōu)異，適用于5.8 GHz的閱讀器天線(xiàn)和ETC電子不停車(chē)收費(fèi)。

圓極化；超表面；小型化；可加載

Abstract To address the complexity issue of circularly polarized antenna,a compact circularly polarized slot antenna is designed with a loadable meta-surface used to realize compactness and circular polarization.The antenna can transform two linearly polarized waves into a circularly polarized wave.The design uses an irregular cross structure,and the size of antenna is only 25 mm*25 mm*4 mm.The axial ratio can be less than 3 dB within 5.74～5.87 GHz.The antenna features simple structure,strong anti-interference capability and good radiation pattern,and it can be used for ETC electronic toll collection and 5.8 GHz reader antenna.

Key words circular polarization;meta-surface;compact;loadable

0 引言

隨著天線(xiàn)和射頻通信系統(tǒng)的發(fā)展，普通的線(xiàn)極化天線(xiàn)[1]已經(jīng)不能滿(mǎn)足復(fù)雜的通信要求。在遠(yuǎn)距離傳輸和抗干擾方面，圓極化天線(xiàn)[2]有顯著的優(yōu)勢(shì)。圓極化天線(xiàn)可以接收所有線(xiàn)極化波，圓極化波也可以被所有線(xiàn)極化天線(xiàn)接收。很多特定要求的通訊系統(tǒng)中要用到圓極化天線(xiàn)[3]。

圓極化微帶天線(xiàn)的種類(lèi)有單點(diǎn)饋電圓極化天線(xiàn)[4]、多點(diǎn)饋電圓極化天線(xiàn)[5]和阿基米德螺旋圓極化天線(xiàn)[6]。單點(diǎn)饋電圓極化天線(xiàn)[7]饋電結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但圓極化實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)復(fù)雜，多點(diǎn)饋電圓極化天線(xiàn)[8]饋電網(wǎng)絡(luò)比較復(fù)雜，面積大，但較容易實(shí)現(xiàn)圓極化，軸比帶寬較寬。阿基米德螺旋圓極化天線(xiàn)[9]性能優(yōu)異，交叉極化低，軸比帶寬也非常寬。超表面結(jié)構(gòu)圓極化天線(xiàn)[10]是一種二維金屬表面加載在普通線(xiàn)極化天線(xiàn)上，可以控制電磁波的相位特性和極化特性[11]，可用于隱身飛機(jī)的表面蒙皮和雷達(dá)的表面罩，可以提高天線(xiàn)的方向性和抗干擾能力。文獻(xiàn)[12]提出了利用超表面合成圓極化波，本文重新設(shè)計(jì)了圓極化超表面，對(duì)超表面小型化設(shè)計(jì)，成功地利用超表面降低天線(xiàn)的軸比，實(shí)現(xiàn)了圓極化。

1 圓極化超表面基本理論

圓極化超表面屬于周期性結(jié)構(gòu)[13]的一種，周期性結(jié)構(gòu)分為貼片型和孔徑型2種結(jié)構(gòu)，貼片型[14]在諧振頻率附近呈現(xiàn)全反射特性，孔徑型[15]在諧振頻率附近呈現(xiàn)全透射特性。周期性結(jié)構(gòu)可以降低天線(xiàn)表面波，提高天線(xiàn)的增益和效率，減少方向圖上的波紋擾動(dòng)。

圓極化波可表示為2個(gè)空間相互垂直，時(shí)間相位差90°，且振幅相等的線(xiàn)極化波之和，而圓極化超表面可以把橢圓極化波中分離出2個(gè)振幅相等，相位差90°的線(xiàn)極化波，然后在通過(guò)超表面后合成為圓極化波。圓極化超表面屬于孔徑型周期性結(jié)構(gòu)，當(dāng)電磁波通過(guò)超表面時(shí)，電磁波的相位會(huì)發(fā)生變化，金屬表面的縫隙等效于一個(gè)電容，短的金屬連接線(xiàn)等效于電阻，有一部分金屬等效于電感，這就是超表面的電路等效模型。它會(huì)阻擋一部分電磁波通過(guò)，改變一部分電磁波的相位，并最終在電磁波通過(guò)超表面后形成圓極化波。超表面還有亞波長(zhǎng)和相位調(diào)制[16]的特性，能夠在很小的尺度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)電磁波極化狀態(tài)的調(diào)制。

2 圓極化天線(xiàn)結(jié)構(gòu)

本文用到的縫隙天線(xiàn)如圖1所示，尺寸參數(shù)：a=25 mm,b=11.6 mm，c=13 mm,e=3 mm，設(shè)計(jì)在相對(duì)介電常數(shù)為4.4、損耗正切值為0.02、厚度為1 mm的FR4基板上?？p隙的寬為1 mm,縫隙的長(zhǎng)度可以調(diào)節(jié)中心頻率，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，中心頻率越低，長(zhǎng)度變小，中心頻率變高。

圖1 5.8 GHz縫隙天線(xiàn)結(jié)構(gòu)

(1)

Z1=R1+jX1，

(2)

Z2=R2+jX2。

(3)

圖2 圓極化超表面結(jié)構(gòu)

圖3 圓極化超表面結(jié)構(gòu)實(shí)物

圖4 5.8 GHz縫隙天線(xiàn)實(shí)物

3 仿真結(jié)果和分析

本文超表面和縫隙天線(xiàn)的仿真是在HFSS軟件下進(jìn)行的?？p隙天線(xiàn)反射特性曲線(xiàn)如圖5所示，縫隙天線(xiàn)的工作頻率為5.68～6 GHz，中心頻率為5.8 GHz。參數(shù)b對(duì)縫隙天線(xiàn)S11的影響如圖6所示，縫隙的長(zhǎng)度b的值改變，天線(xiàn)的頻率也會(huì)發(fā)生改變，縫隙長(zhǎng)度變長(zhǎng)，工作頻率變低。天線(xiàn)的工作頻率是縫隙的寬度和長(zhǎng)度共同決定的。沒(méi)有加載超表面情況下的縫隙天線(xiàn)原始軸比如圖7所示，在5.8 GHz時(shí)的軸比為40 dB,遠(yuǎn)大于3 dB，可認(rèn)為線(xiàn)極化。

加載超表面后縫隙天線(xiàn)的軸比如圖8所示，在天線(xiàn)的背部加載圓極化超表面后，可以明顯的看出5.8 GHz時(shí)的軸比從原來(lái)的40 dB變?yōu)樾∮? dB，其在5.74～5.87 GHz頻率范圍內(nèi)都小于3 dB，最低達(dá)到0.6 dB。證實(shí)了本文超表面能減小軸比，實(shí)現(xiàn)圓極化的功能。超表面參數(shù)g對(duì)軸比的影響如圖9所示，圓極化超表面切角邊的長(zhǎng)度g會(huì)影響到軸比的中心頻率，g的值變大，中心頻率也會(huì)變大，所以選擇g的值為5 mm,其中心頻率剛好為5.8 GHz處。圓極化天線(xiàn)的增益圖如圖10所示，5.8 GHz處XOZ面和XOY面方向圖如圖11所示，該天線(xiàn)的輻射方向垂直于天線(xiàn)表面，沿表面法線(xiàn)方向傳播。

圖5 縫隙天線(xiàn)反射特性曲線(xiàn)

圖6 參數(shù)b對(duì)反射系數(shù)的影響

圖7 縫隙天線(xiàn)的原始軸比

圖8 加載超表面后的軸比

圖9 參數(shù)g對(duì)軸比的影響

圖10 圓極化天線(xiàn)的增益

圖11 5.8 GHz處XOZ面和XOY面方向圖

5.8 GHz處XOZ面的軸比分布如圖12所示，通過(guò)該圖可以看出超表面對(duì)天線(xiàn)軸比的影響，θ角在170°～212°范圍內(nèi)小于3 dB，在θ=194°時(shí)，軸比最低0.44 dB，也就是-z方向的42°角內(nèi)滿(mǎn)足圓極化。

圖12 5.8 GHz處XOZ面的軸比

左旋和右旋圓極化的電場(chǎng)強(qiáng)度比較圖如圖13所示，可以一眼看出右旋圓極化的電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于左旋圓極化，所以該天線(xiàn)為右旋圓極化天線(xiàn)。

圖13 左旋和右旋圓極化的電場(chǎng)強(qiáng)度

通過(guò)仿真和分析，縫隙天線(xiàn)的耦合縫隙長(zhǎng)度b的值對(duì)天線(xiàn)反射系數(shù)S11有明顯影響。隨著b值的減小，中心頻率會(huì)向高頻移動(dòng)，因此可以通過(guò)縫隙長(zhǎng)度b的值來(lái)調(diào)節(jié)需要的中心頻率。超表面的切角邊長(zhǎng)g的值會(huì)影響軸比的中心頻點(diǎn)，g的值增大，中心頻點(diǎn)向高頻移動(dòng)，這是通過(guò)超表面的等效阻抗改變來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此可以調(diào)節(jié)g的值來(lái)獲得需要的軸比。

4 結(jié)束語(yǔ)

不同于普通圓極化天線(xiàn)的實(shí)現(xiàn)原理，本文在普通線(xiàn)極化天線(xiàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)加載超表面能改變天線(xiàn)極化狀態(tài)的原理，設(shè)計(jì)了一個(gè)圓極化超表面來(lái)降低天線(xiàn)的軸比，實(shí)現(xiàn)圓極化。一般的超表面都是由很多個(gè)單元周期性排列組成才能實(shí)現(xiàn)其性能，其面積很大，不適用于小型化的天線(xiàn)要求，本文的圓極化超表面面積很小，僅一個(gè)單元就實(shí)現(xiàn)了圓極化，適用于要求小型化的天線(xiàn)系統(tǒng)。本文天線(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，輻射特性?xún)?yōu)異，還可以在一定程度上屏蔽工作頻帶外的電磁干擾，可用于ETC電子不停車(chē)收費(fèi)和5.8 GHz閱讀器天線(xiàn)。

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Compact Circularly Polarized Antenna with Meta-surface

MA Xue-li,FENG Quan-yuan

(CollegeofInformationScienceandTechnology,SouthwestJiaotongUniversity,ChengduSichuan610031,China)

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.08.11

馬學(xué)禮，馮全源.小型超表面圓極化天線(xiàn)設(shè)計(jì)[J].無(wú)線(xiàn)電工程,2017,47(8):44-47.[MA Xueli,FENG Quanyuan.Compact Circularly Polarized Antenna with Meta-surface[J].Radio Engineering,2017,47(8):44-47.]

2016-12-02

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(61531016)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61271090)；四川省科技支撐計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2015GZ0103)。

TN82

A

1003-3106(2017)08-0044-04

馬學(xué)禮 男，(1992—)，碩士研究生。主要研究方向：天線(xiàn)理論與設(shè)計(jì)。

馮全源 男，(1963—)，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向：天線(xiàn)理論與設(shè)計(jì)、數(shù)字、模擬、射頻與混合信號(hào)集成電路設(shè)計(jì)等。