彭 麟，趙智華，廖 欣，鄭天成，姜 興

(桂林電子科技大學(xué) 認(rèn)知無(wú)線電與信息處理省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004)

0 引 言

隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的應(yīng)用涉及到了毫米波和太赫茲頻段，例如車載雷達(dá)[1]和5G/6G通信系統(tǒng)[2]。高增益天線是這些應(yīng)用中的重要部分，而超透鏡天線由于其高增益、低剖面和易于加工等特點(diǎn)，成為了研究熱點(diǎn)。

超透鏡天線常使用金屬結(jié)構(gòu)組成，通過改變單元結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的傳輸相位。文獻(xiàn)[3]使用交叉縫隙金屬結(jié)構(gòu)，通過改變縫隙長(zhǎng)度，單元可以實(shí)現(xiàn)360°的相位覆蓋范圍，且傳輸系數(shù)均大于-1 dB?；谠搯卧O(shè)計(jì)了焦徑比為0.8的四層透射陣天線，在10.5～12.1 GHz工作頻帶內(nèi)的增益范圍為17.2～24.26 dBi，并且在11.45 GHz取得峰值增益24.26 dBi，1 dB增益帶寬為4.2%。文獻(xiàn)[4]使用一種雙環(huán)結(jié)構(gòu)單元，通過改變金屬環(huán)的大小可以實(shí)現(xiàn)不同的傳輸相位。使用該單元設(shè)計(jì)了一個(gè)大小為6λ×6λ、焦徑比為0.3的四層透射陣天線，在11.5～12.8 GHz工作頻帶內(nèi)的增益范圍為19～22.4 dBi，并且在12.25 GHz取得峰值增益22.4 dBi，在12.25 GHz時(shí)口徑效率達(dá)到36.9%，其1 dB增益帶寬為6.3%。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一種由五層金屬層和空氣層組成的單元結(jié)構(gòu)，基于該單元設(shè)計(jì)一個(gè)透射陣天線。該透射陣天線在8.5～12.5 GHz工作頻帶內(nèi)的增益范圍為17～22.3 dBi，在10.3 GHz取得峰值增益22.3 dBi，在10.3 GHz口徑效率達(dá)到62%，1 dB增益帶寬為24.27%。文獻(xiàn)[6]提出了一種對(duì)稱C形縫隙結(jié)構(gòu)組成的單元，基于該單元組成了一個(gè)五層透射陣天線，在12.5 GHz處增益達(dá)到24.74 dBi，口徑效率達(dá)到44.4%，1 dB增益帶寬為11.2%。文獻(xiàn)[7]提出了一種三層雙圓環(huán)諧振單元結(jié)構(gòu)，基于該單元設(shè)計(jì)一個(gè)透射陣，在5.8 GHz處增益達(dá)到22.24 dBi，1 dB增益帶寬為4.3%。

然而，饋電損耗、導(dǎo)體損耗和制造精度限制了金屬結(jié)構(gòu)超透鏡在毫米波和太赫茲波段的應(yīng)用，特別是高增益天線應(yīng)用。相比于金屬超透鏡，介質(zhì)超透鏡更適合應(yīng)用在毫米波和太赫茲波段[8]。文獻(xiàn)[9]提出了一種可實(shí)現(xiàn)線極化轉(zhuǎn)圓極化的全介質(zhì)透鏡，在28～32 GHz頻段內(nèi)實(shí)測(cè)增益范圍為21.5～22.6 dBi。文獻(xiàn)[10]提出一種全介質(zhì)透鏡，工作在240～320 GHz，在300 GHz時(shí)增益達(dá)到30.8 dBi，口徑效率為25.63%，1 dB增益帶寬為13.3%。

本文提出了一種可采用3D打印技術(shù)制作的全介質(zhì)超透鏡天線，陣列厚度為6 mm。仿真結(jié)果表明，其1 dB增益帶寬為20.5%(73.2～90 GHz)，口徑效率為52.55%，在整個(gè)頻帶內(nèi)的最大增益達(dá)到29.7 dBi。

1 透射陣設(shè)計(jì)

1.1 透射陣相位分布

透射陣天線由饋源和透射陣組成。透射陣上不同位置的單元需提供特定的傳輸相位，以補(bǔ)償從饋源天線到該單元的空間相位延遲。透射陣可以將球面波轉(zhuǎn)化為平面波，從而實(shí)現(xiàn)提高增益的效果。透射陣單元的傳輸相位φ(x,y)計(jì)算公式為[11]

(1)

式中：λ是自由空間波長(zhǎng)；x、y是不同單元的位置坐標(biāo)；f是饋源天線與透射陣的距離，即焦距。

該透射陣由尺寸為2 mm×2 mm(75 GHz時(shí)λ/2×λ/2)的單元組成，陣列上的相位分布由焦點(diǎn)處饋源與每個(gè)單元之間的距離確定。理想情況下，應(yīng)將每個(gè)單元優(yōu)化為實(shí)現(xiàn)0°～360°范圍內(nèi)特定的相移值，以實(shí)現(xiàn)最佳輻射性能。但是，實(shí)際上這幾乎是不可能的，因此可以將相移量化為離散值?？紤]到天線的性能和設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，選擇3 b相位分布，即間隔45°選擇一個(gè)相位值，其對(duì)應(yīng)相位分布如圖1所示。

圖1 相位分布

1.2 透射陣單元

由于所設(shè)計(jì)單元的高度不同，在仿真S21相位時(shí)，選擇一參考相位面，把單元底部到參考相位面的相位變化記作S21的相位，如圖2所示。從喇叭發(fā)射的電磁波經(jīng)過透鏡的相位補(bǔ)償后，在參考面處變?yōu)榈认嗝?，即可?shí)現(xiàn)提高增益的效果。根據(jù)該原理計(jì)算出透鏡不同位置單元需要補(bǔ)償?shù)南辔唬栽撓辔恢禐槟繕?biāo)設(shè)計(jì)所需的單元結(jié)構(gòu)。

圖2 介質(zhì)透鏡相位補(bǔ)償示意圖

該單元由全介質(zhì)材料組成，單元結(jié)構(gòu)由立方柱和方孔組成，如圖3所示，邊長(zhǎng)a=2 mm，孔長(zhǎng)b=1.4 mm。

圖3 單元結(jié)構(gòu)立體圖

通過改變立方柱的高度和方孔的深度實(shí)現(xiàn)不同的相位，其中方孔在調(diào)節(jié)相位的同時(shí)起到了減小反射的作用。圖4進(jìn)一步展示了介質(zhì)柱高度和孔深對(duì)單元相位的影響。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，單元尺寸的變化對(duì)單元的相位特性影響較大，而對(duì)單元的幅值特性影響較小。具體來(lái)說，當(dāng)孔深一定時(shí)，隨著柱子的增高單元相位會(huì)逐漸降低；而當(dāng)柱高一定時(shí)，孔越深單元相位越大。介質(zhì)孔寬度的變化也會(huì)對(duì)單元相位產(chǎn)生影響，但是由于本設(shè)計(jì)的透鏡工作頻率很高，而受我們的3D打印機(jī)加工精度的限制，太小的介質(zhì)孔無(wú)法打印。

(a)單元S21隨柱高h(yuǎn)的變化

根據(jù)上述規(guī)律，同時(shí)調(diào)節(jié)介質(zhì)柱的高度和孔深可實(shí)現(xiàn)所需的相位變化。根據(jù)1.1節(jié)的分析，考慮到天線的性能和設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，我們選擇3 b相位分布，即間隔45°選擇一個(gè)相位值。不同單元對(duì)應(yīng)相位值對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 單元結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖5給出了不同單元的傳輸相位和幅值，可以看到不同單元在工作帶寬內(nèi)S21均大于-1 dB，介質(zhì)單元的透射率要優(yōu)于1.1節(jié)提出的金屬單元，但是介質(zhì)單元的剖面要遠(yuǎn)大于金屬單元。從圖中還可以看出，不同單元的相位曲線可實(shí)現(xiàn)所需要的相位覆蓋范圍。

(a)不同單元S21幅值

2 仿真與測(cè)試

利用上述全介質(zhì)單元組成透鏡陣列，陣列由23×22個(gè)單元組成，透鏡大小為46.6 mm×44.6 mm，介質(zhì)材料使用PLA，根據(jù)文獻(xiàn)[12]可知，在60 GHz時(shí)，其相對(duì)介電常數(shù)為2.78。透鏡整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 透射陣天線整體結(jié)構(gòu)

焦徑比對(duì)透鏡天線的性能有著很大的影響，如果陣面太小，無(wú)法完全覆蓋饋源發(fā)出的電磁波，隨著陣面尺寸的增大，天線的增益會(huì)提高，但是太大的陣面會(huì)有部分陣面作用小，從而導(dǎo)致口徑效率的下降。為了確定合適的焦徑比，我們?cè)O(shè)計(jì)了不同焦距的透鏡進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出，當(dāng)透鏡面積一定時(shí)，焦距在35 mm和40 mm時(shí)增益變化曲線較為相似，隨著焦距的增加透鏡天線的增益得到提高，但當(dāng)焦距大于45 mm繼續(xù)增加時(shí)，增益雖然仍會(huì)提高，但提高幅度不大。因此，綜合考慮透鏡天線的剖面和增益性能，選擇45 mm作為透鏡天線的焦距。

圖7 不同焦距陣列對(duì)應(yīng)增益曲線

基于上述分析，最終確定了透鏡天線的基本參數(shù)。基于3D打印技術(shù)使用PLA材料加工天線實(shí)物，同時(shí)使用該材料打印介質(zhì)支架，透鏡和饋源天線之間使用尼龍柱支撐。超透鏡天線加工的實(shí)物圖如圖8(a)所示，天線整體尺寸為46.6 mm×44.6 mm×51 mm。

圖8 介質(zhì)天線加工實(shí)物與實(shí)測(cè)環(huán)境

為了驗(yàn)證上述仿真結(jié)果，在微波暗室中對(duì)超透鏡進(jìn)行實(shí)測(cè)，測(cè)試環(huán)境如圖8(b)所示，S11仿真和測(cè)量結(jié)果如圖9所示。從圖9可以看到，在65～90 GHz整個(gè)工作頻段內(nèi)透鏡天線的S11均小于-10 dB，具有良好的匹配效果。

圖9 天線反射系數(shù)

仿真和實(shí)測(cè)的方向圖如圖10所示。由于測(cè)試系統(tǒng)的限制，后瓣無(wú)法測(cè)量，因此只測(cè)量了透鏡天線的前瓣部分?？傮w來(lái)看，在各個(gè)頻點(diǎn)實(shí)測(cè)和仿真E與H面的方向圖主瓣吻合較好，但是在低頻部分，尤其是65 GHz、70 GHz實(shí)測(cè)的E面方向圖副瓣要明顯高于仿真，而H面實(shí)測(cè)和仿真方向圖的副瓣吻合較好，實(shí)測(cè)主瓣波束略有偏折?？赡艿脑蚴窃诎凳覝y(cè)試時(shí)，接收天線和發(fā)射天線的對(duì)準(zhǔn)是由手工完成的，難免會(huì)有誤差，出現(xiàn)接收天線和發(fā)射天線未完全對(duì)準(zhǔn)的情況，導(dǎo)致了實(shí)測(cè)波束偏折的產(chǎn)生。在高頻部分，即80 GHz實(shí)測(cè)和仿真的方向圖吻合較好。但是高頻部分實(shí)測(cè)方向圖的副瓣抖動(dòng)較大，尤其是90 GHz時(shí)實(shí)測(cè)抖動(dòng)非常明顯。可能的原因是測(cè)試使用的暗室為半開放型，高頻部分受到噪聲的影響較大，因此噪聲湮沒了電平值較低的副瓣部分。而從透鏡天線仿真方向圖還可以看出，在65 GHz、70 GHz、90 GHz時(shí)方向圖后瓣部分較大，最大高于-10 dB?？赡艿脑蚴怯捎谕哥R的反射造成的，從單元的S21曲線可以看出部分單元在這些頻點(diǎn)處透射相對(duì)其他單元較差，最差接近-1 dB。

(a)65 GHz

為了分析透鏡對(duì)天線交叉極化的影響，圖11給出了超透鏡天線和饋源天線的交叉極化。從圖中可以看出，加載透鏡對(duì)天線的交叉極化影響較小。

(a)65 GHz

仿真和實(shí)測(cè)的透鏡天線增益如圖12所示，總體來(lái)看，仿真和實(shí)測(cè)的增益趨勢(shì)是一致的。饋源天線的增益在65～90 GHz頻段上為14.8～17.8 dBi，加載介質(zhì)透鏡后在65～90 GHz頻段內(nèi)增益均大于23 dBi。在工作頻帶內(nèi)，透鏡天線的仿真增益最高在82 GHz達(dá)到29.7 dBi，與饋源天線相比提高了12.9 dB。仿真的1 dB增益帶寬為20.7%(73.1～90 GHz)。90 GHz以上頻段也存在有效工作頻帶，但是測(cè)試系統(tǒng)最高只能測(cè)試90 GHz部分，更高頻率無(wú)法測(cè)試，所以在這里僅分析90 GHz以下的增益性能。測(cè)試結(jié)果表明，在78.45 GHz時(shí)增益為28.6 dBi，1 dB增益帶寬為11.6%(78～87.6 GHz)。

圖12 饋源和超透鏡天線增益

口徑效率也是天線的重要指標(biāo)，可由以下公式計(jì)算得出：

(2)

圖13 超透鏡天線口徑效率

表2比較了近年來(lái)相關(guān)文獻(xiàn)設(shè)計(jì)的介質(zhì)超透鏡天線，可以看出本文設(shè)計(jì)的超透鏡天線的增益大于文獻(xiàn)[8]、[9]、[12]的，但是1 dB增益帶寬低于文獻(xiàn)[8]、[9]、[10]的；文獻(xiàn)[10]有著較好的增益和1 dB增益帶寬性能，但是其剖面較高。

表2 各文獻(xiàn)天線性能對(duì)比

3 結(jié) 論

本文基于相位補(bǔ)償原理，設(shè)計(jì)并使用3D打印技術(shù)加工了一個(gè)全介質(zhì)寬帶超透鏡天線。在微波暗室中對(duì)該天線進(jìn)行的測(cè)試表明，該透鏡天線工作在65～90 GHz，1 dB增益帶寬為73.1～90 GHz，整個(gè)頻段內(nèi)最高增益在82 GHz時(shí)達(dá)到29.7 dBi，與饋源天線相比提高了12.9 dB；整個(gè)頻帶內(nèi)，最低增益均高于23 dBi；口徑效率在工作頻段均大于20%，在80 GHz時(shí)仿真口徑效率達(dá)到最大值52.55%。整個(gè)透射陣天線具有結(jié)構(gòu)輕、加工成本較低以及易于加工等特點(diǎn)，便于大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用。