雋月 車文荃 楊琬琛

摘要 本文對容性支節(jié)加載的小型化超表面天線進行了分析與設計.通過在方形貼片上引入一對容性負載支節(jié)，可以有效地降低超表面單元的工作頻率，從而將傳統(tǒng)方形貼片超表面單元的尺寸減小55%.在單元設計的基礎上，設計了一款4×4陣列的超表面天線，并采用特征模分析（CMA）解釋了超表面天線的輻射機制.為了驗證設計思路，對天線進行了加工和測試，測量的-10 dB阻抗帶寬為21.7%，并在工作頻帶內保持6 dBi的輻射增益.

關鍵詞超表面;小型化天線;容性加載;特征模分析

中圖分類號TN820

文獻標志碼A

0?引言

近年來，超表面天線因其高增益和寬帶等優(yōu)點引起了廣泛的關注.文獻[1]詳細比較了超表面天線和貼片天線的性能，與傳統(tǒng)的貼片天線相比，超表面天線在增益和帶寬方面都具有明顯的優(yōu)勢.但是，超表面天線的整體尺寸通常大于傳統(tǒng)的貼片天線，這導致了超表面天線在陣列設計和集成上存在一定的困難.因此，在保持高性能的同時設計結構緊湊且低剖面的超表面天線十分必要.

傳統(tǒng)超材料天線通常作為反射板[2-3]，但超表面天線則是將超材料結構作為輻射體.文獻[4]中將4×4的正方形貼片超材料結構作為輻射單元，并采用縫隙進行饋電.比較發(fā)現(xiàn)，提出的新型超表面天線的|S11|低于-10 dB的工作帶寬為28%，且?guī)仍鲆娑季^了6 dBi，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)貼片天線.這是由于超表面天線的面積幾乎充滿了整個輻射口徑，從而提高了天線的增益.但是超表面陣面尺寸為0.73λ0×0.73λ0×0.06λ0，遠大于傳統(tǒng)貼片天線的0.5λ0×0.5λ0.為了減小陣面的尺寸，文獻[1]提出了采用工字形單元結構代替方形貼片單元來減小天線尺寸，2×2陣列的尺寸可以減小為0.4λ0×0.37λ0×0.05λ0，但是天線帶寬降低到13%且增益減小到6.1～7.8 dBi.文獻[5]提出了采用雙層超表面的結構來減小天線尺寸，天線上層為2×2大方形貼片陣列，下層為6×6小方形貼片陣列，通過雙層結構陣面尺寸可以減小為0.46λ0×0.46λ0×0.06λ0，天線帶寬仍可保持27.4%，增益減小到6.5～7.6 dBi.但是該天線加上饋電結構一共有3層，大大增加了天線的復雜度.

為了解決尺寸過大問題，本文提出了一種新型的通過支節(jié)加載的小型化超表面天線.采用單層超表面結構，通過在方形貼片上加載支節(jié)，引入寄生電容，使得天線的工作頻率可以通過條帶插入深度的改變來進行調節(jié).插入越深，工作頻率越低，則天線電尺寸越小，最終4×4超表面陣面的尺寸可以減小到0.49λ0×0.49λ0×0.044λ0.天線樣品測量的-10 dB阻抗帶寬為21.7%，并且在整個工作頻帶內可以保持6 dBi的輻射增益.

1?小型化超表面單元理論分析

圖1a所示為傳統(tǒng)的方形貼片的超表面單元[4]，超表面單元尺寸0.183λ0×183λ0×0.047λ0，該尺寸較大且不利于天線陣列的設計.本文通過引入支節(jié)增加等效電容的方法，來降低天線的諧振頻率，進而減小超表面單元的電尺寸.在圖1a所示的超表面單元的基礎上，沿著x，y方向同時加載金屬條帶1和2，如圖1b所示.為了保持單元結構的對稱性，支節(jié)1和2的尺寸需保持相同.

作為一個周期結構，通常采用周期邊界來對超表面單元進行分析，并通過零反射相位點來表征超表面單元的工作頻點[6-7].圖2給出了金屬條帶1和2的長度L1對超表面單元反射相位的影響.當L1由1 mm增長為4.4 mm時，超表面單元所對應的零反射相位點的工作頻率從4 GHz下降至3.2 GHz.因為引入的等效電容隨條帶長度的增加而增加，超表面單元的工作頻率也隨之降低，故此起到減小超表面單元電尺寸的作用.當插入深度達到4.4 mm，超表面單元的尺寸可以減小為0.112λ0×112λ0×0.035λ0，比經(jīng)典方形貼片的尺寸減小62%.研究表明，支節(jié)和貼片之間的縫隙s和支節(jié)寬度W1對于超表面單元的工作頻率影響很小，因此主要是通過插入支節(jié)的深度來調節(jié)天線的工作頻率.

2?小型化超表面陣列特征模分析

由上述分析可知，可以通過金屬條帶的加載，得到尺寸僅為0.112λ0×112λ0×0.035λ0的小型化超表面單元，在此單元的基礎上，構建了一個4×4的超表面陣列作為天線輻射單元，如圖3a所示.為了進一步分析所提出的超表面陣列，通過特征模分析（CMA）的方法對該超表面結構的固有模式進行分析[8-9].超表面結構固有的模式可以通過仿真軟件CST MWS中集成的CMA工具進行分析，CST中的邊界條件如圖3b所示[10].

選取3.5 GHz為工作頻率，該超表面陣列前6種特征模式（模式1—模式6）的模式強度如圖4所示.這6種模式雖然工作在不同的頻帶下，但是具有相似的變化趨勢，每個模式在工作頻率下對應的表面電流分布和輻射方向圖如圖5和6所示.

如圖5所示，這6種特征模式（模式1—模式6）在超表面的電流分布用黑色箭頭標出，分別標記為J1～J6.模式1和模式2對應的表面電流分布J1和J2在每個單元上的電流都保持方向相同，因此J1和J2的電流分布對應的模式可以激勵出沿z軸的輻射方向圖，如圖6a和6b所示.而如圖5c—5f所示，模式3表面電流分布J3在平面上呈中心對稱，模式4和5的表面電流分布J4和J5在平面上沿對角線軸對稱，模式6的表面電流分布J6在平面上沿y軸對稱.由于J3～J6在超表面上的電流分布沿中心線呈反向的狀態(tài)，會產(chǎn)生抵消作用，所以J3～J6對應模式下的輻射方向圖在z方向上會出現(xiàn)凹點，如圖6c—6f所示.因此J1和J2所激勵的模式1和模式2是期望的主工作模式，而J3～J6所激勵的模式3—模式6是需要抑制的高階模式.

基于上述超表面單元的參數(shù)分析，超表面單元的寬度W0和單元之間的間隙g決定了天線的初始諧振頻率.隨著W0的增加或間隙寬度g的減小，天線的工作頻率降低，軸比帶寬增加.通過仿真優(yōu)化，本節(jié)將選取超表面單元的寬度W0=10 mm，間隙g=0.5 mm.在保持單元寬度W0和單元間隙g不變的情況下，支節(jié)插入深度L1變化對天線性能的影響也可以通過CMA的方法進行分析.圖7給出了支節(jié)插入深度L1對超表面陣列模式1和模式2模式強度的影響.當L1從2 mm增加到4.4 mm時，由于引入電容的增加，模式1和模式2的諧振頻率都從4.71 GHz下降到3.7 GHz，頻率的降低也就意味著表面陣列尺寸的減小.但模式1和模式2的帶寬均隨著頻率的降低而變窄.此外，也對未加載條帶的超表面陣列進行了比較.加載條帶之后，表面陣列的工作頻率可以從5.3 GHz降低到3.7 GHz，即超表面陣列的尺寸可以從0.71λ0×0.71λ0×0.056λ0減小為0.51λ0×0.51λ0×0.04λ0.

綜上所述，天線的工作頻率可以通過改變條帶插入深度L1進行調節(jié)，長度越長，工作頻率越低，天線電尺寸越小.

3?小型化超表面天線設計

由分析可知，只有在超表面陣列上激勵起模式1或者模式2時，才能實現(xiàn)定向輻射的特性.如圖8所示，本文提出了一個由2層介質基板組成的超表面天線，2層基板為羅杰斯4003C（節(jié)點常數(shù)為3.55），厚度分別為h1和h2.上基板表面為4×4小型化超表面陣列用作天線的輻射單元，而金屬地板放置在上下介質層之間.為了激勵起這2個模式中的一個，通過在金屬地的中心沿y軸方向蝕刻一條長度為Ls和寬度為Ws的縫隙給上層超表面進行饋電，并且在下基板的底部印刷具有終端開路結構的50 Ω微帶線作為饋電線.根據(jù)以上分析和仿真優(yōu)化，天線其他尺寸的取值如表1中所示.

根據(jù)表1給出的設計參數(shù)，使用HFSS軟件仿真即可得到所提出的天線的反射系數(shù)和增益特性.如圖9所示，天線的-10 dB帶寬為17.4%（3.21～3.82 GHz），完全覆蓋了針對5G通信的3.5 GHz頻帶，并且在此帶寬內天線的增益為6.15～7.69 dBi.此外，該天線的陣面尺寸僅有0.49λ0×0.49λ0×0.044λ0（3.5 GHz處），是沒有引入條帶加載的正方形超表面陣列[4]的45%（5.5 GHz處尺寸為0.73λ0×0.73λ0×0.06λ0），因此天線尺寸顯著減小.

4?仿真結果與性能比較

為了驗證所提出天線的可行性與性能，對圖8中的條帶加載型小型化超表面天線進行加工，實物圖如圖10a所示，用50 Ω的SMA射頻轉接頭作為同軸饋電端.該天線的反射系數(shù)|S11|是用羅德施瓦茨（ROHDE&SCHWARZ）公司的矢量網(wǎng)絡分析儀（VNA）測量的，而天線的增益和方向圖等輻射特性的測試工作是在香港城市大學的Satimo近場暗室里完成的，如圖10b所示.

實測的|S11|、增益和方向圖及仿真結果如圖11所示.實測得到的-10 dB阻抗帶寬為21.7%（3.18～3.94 GHz），與仿真結果相比，在高頻處產(chǎn)生了0.12 GHz的上移，在匹配帶寬范圍內，測量的增益在6 dBi和6.92 dBi之間變化，比仿真結果（6.15～7.69 dBi）降低了0.77 dBi.這個差值可能是因為實際的介質基板的介質損耗角與設計值存在偏差，或者是測量過程中用于連接天線與測試設備的同軸電纜的損耗所導致的，可以忽略.同時，天線的交叉極化增益保持低于-25 dB，表明該天線具有良好的交叉極化性能.圖11c和11d分別給出了3.5 GHz處E平面和H平面的方向圖.由圖11可見，天線的仿真與實測結果只有在背瓣處有一點偏差.因此，該天線的實測結果和仿真結果基本保持一致.

5?結束語

本文提出了一種新型的支節(jié)加載小型化低剖面超表面天線，通過在方形貼片上加載支節(jié)的方式引入寄生電容，改變支節(jié)的插入深度來調整和減小超表面陣面的大小.測量結果表明，天線的-10 dB阻抗帶寬達到21.7%，并在工作頻帶內保持6 dBi的輻射增益.此外，超表面陣面的尺寸僅有0.49λ0×0.49λ0×0.044λ0，比傳統(tǒng)的方形貼片超表面天線減小了55%.

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