喬大育, 韓麗萍

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院, 山西 太原 030006)

0 引 言

隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展, 圖像、 音頻等通訊信息量日益增大, 對(duì)天線的帶寬、 增益等各方面的性能提出了更高的要求。 陣列天線因具有高增益、 高功率、 相位掃描、 方向圖賦形等優(yōu)勢(shì), 在無線通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 然而,由于通信系統(tǒng)空間受限, 實(shí)際中陣列天線單元的間距逐漸壓縮, 單元間的緊耦合導(dǎo)致了陣列天線的信道容量減小、 工作效率降低、 方向圖畸變等問題。 目前, 應(yīng)用廣泛的解耦方法有缺陷地結(jié)構(gòu)解耦[1-2]、 解耦網(wǎng)絡(luò)解耦[3]及諧振結(jié)構(gòu)解耦[4]等,這些方法存在帶寬窄、 結(jié)構(gòu)復(fù)雜或占用空間大的問題。 近年來, 超表面(MTS)憑借其強(qiáng)大的電磁波調(diào)控能力在天線解耦方面得到了廣泛應(yīng)用, 超表面加載于陣列天線上方, 會(huì)改變天線單元間耦合電磁波的傳播波數(shù), 從而減小耦合電場(chǎng), 降低互耦[5], 基于超表面解耦的陣列天線具有結(jié)構(gòu)簡單、 天線單元間距小等優(yōu)點(diǎn)。

陣列天線的解耦超表面分為開槽型和貼片型。文獻(xiàn)[6-7]通過刻蝕4×6“H”形槽或4×5方形槽的超表面解耦, 隔離度均提高了15 dB以上, 天線的單元間距(邊到邊的距離)均為0.023λ0, 剖面高度均為0.194λ0。 文獻(xiàn)[8-9]利用圓形或方形開口諧振環(huán)組成的5×7超表面解耦, 隔離度提高到25 dB, 天線的單元間距均為0.02λ0, 剖面高度分別為0.15λ0和0.18λ0。 文獻(xiàn)[10-11]通過矩形條帶組成的4×10雙層超表面解耦, 隔離度均提高了15 dB, 天線的單元間距分別為0.035λ0和0.15λ0, 剖面高度分別為0.443λ0和0.306λ0。 文獻(xiàn)[12]利用“工”字形單元組成的5×7雙層超表面解耦, 隔離度提高了8 dB, 天線的單元間距為0.017λ0, 剖面高度為0.183λ0。 上述文獻(xiàn)中天線的剖面較高, 單元間距較大。

本文設(shè)計(jì)了一種低剖面緊耦合陣列天線, 加載5×6耶路撒冷十字單元組成的超表面提高天線單元間的隔離度, 通過在矩形輻射貼片上刻蝕U 形縫隙改善阻抗匹配。 天線單元間距為0.015λ0, 剖面高度為0.1λ0.測(cè)量結(jié)果表明, 該天線的工作頻段為3.3 GHz～3.7 GHz, 隔離度提高了10.5 dB, 在頻帶內(nèi)具有良好的輻射特性。

1 超表面解耦原理及單元設(shè)計(jì)

圖1為超表面解耦原理圖, 其中天線1被激勵(lì), 天線2接50Ω 負(fù)載。 未加載超表面時(shí), 天線間的耦合電磁波沿x軸正方向傳播, 傳播波數(shù)k可以表示為

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

在陣列天線上方加載不同介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的超表面, 會(huì)對(duì)耦合電磁波的傳播波數(shù)產(chǎn)生影響。 根據(jù)式(1)可知, 加載具有負(fù)介電常數(shù)(εx＜0)和正磁導(dǎo)率

式(3)表明耦合電場(chǎng)在x軸方向上隨著距離的增大而減小, 電磁波主要沿z軸方向傳播, 因此, 加載負(fù)介電常數(shù)(εx＜0)和正磁導(dǎo)率(μx＞0)的超表面能有效減小天線單元間的互耦。

在超表面解耦原理的基礎(chǔ)上, 設(shè)計(jì)了耶路撒冷十字超表面單元。 圖2(a) 為超表面單元的仿真模型, 采用Floquet端口法對(duì)超表面單元進(jìn)行仿真, 得到無限表面的反射和透射系數(shù), 如圖2(b)所示, 超表面單元在3.5 GHz處具有最大反射系數(shù)和最小透射系數(shù)。 利用Matlab反演算法計(jì)算出超表面單元的結(jié)構(gòu)參數(shù), 如圖2(c) 所示, 超表面單元在3.3 GHz～3.7 GHz頻段, 介電常數(shù)實(shí)部為負(fù), 磁導(dǎo)率實(shí)部為正。

圖2 耶路撒冷十字超表面單元Fig.2 Jerusalem-cross metasurface unit cell

2 基于超表面的緊耦合陣列天線

本文設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)如圖3所示, 由超表面和陣列天線組成。 超表面印刷在上層介質(zhì)基板,二單元貼片天線印刷在下層介質(zhì)基板, 兩層介質(zhì)基板用高度h2的空氣層隔開。 超表面由5×6耶路撒冷十字單元組成, 矩形貼片上蝕刻一個(gè)U 形縫隙用于改善天線的阻抗匹配。 介質(zhì)基板選用厚度為1.6 mm 的FR4, 相對(duì)介電常數(shù)和損耗角正切分別為4.4和0.02, 采用商業(yè)電磁軟件HFSS仿真分析, 優(yōu)化的參數(shù)如表1所示。

表1 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Parameters of antenna structure

圖3 天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Configuration of antenna structure

圖4為加載超表面前后天線的S參數(shù)曲線,由圖可知, 未加載超表面時(shí), 天線的阻抗帶寬為3.42 GHz～3.57 GHz, 單元間隔離度為7.5 dB;加載超表面后, 由于天線與超表面之間耦合產(chǎn)生了新的諧振點(diǎn), 阻抗帶寬展寬為3.19 GHz～3.77 GHz, 天線隔離度提高到18 dB。

圖4 天線S 參數(shù)Fig.4 S-parameters of antenna

為了進(jìn)一步解釋超表面的解耦原理, 研究了天線的表面電流分布。 圖5為加載超表面前后的表面電流分布, 天線1被激勵(lì), 天線2接50Ω負(fù)載。 由圖5(a)可知, 未加載超表面時(shí), 天線2存在較強(qiáng)的耦合電流; 由圖5(b) 可知, 加載超表面后, 天線2的耦合電流明顯減少, 說明超表面能有效地減少單元間的耦合波, 實(shí)現(xiàn)良好的解耦效果。

圖5 天線表面電流分布Fig.5 Surface current distribution of antenna

3 參數(shù)分析

通過對(duì)天線進(jìn)行敏感性分析, 發(fā)現(xiàn)U 形縫隙的長度、 空氣層的高度以及超表面單元的數(shù)量對(duì)天線性能影響較大。 分析某一參數(shù)對(duì)天線性能的影響時(shí), 其他參數(shù)均保持不變。

圖6給出了U 形縫隙的長度ls(ls=2*l2+w2)對(duì)天線S參數(shù)的影響, 在工作頻段內(nèi), 隨著ls的增大, 低頻段的阻抗匹配逐漸變好, 高頻段的阻抗匹配逐漸變差, 隔離度變化不大。 當(dāng)ls=7 mm 時(shí), 天線的S11在工作頻段內(nèi)達(dá)到-15 dB以下, 匹配性能最好。

圖6 不同ls時(shí)的S 參數(shù)Fig.6 S-parameters for different ls

圖7給出空氣層的高度h2對(duì)天線S參數(shù)的影響, 在工作頻帶內(nèi), 隨著h2的增大, 天線的阻抗匹配逐漸變差, 低頻段隔離度逐漸增大, 高頻段隔離度逐漸減小。 當(dāng)h2=5 mm 時(shí), 天線的S21在工作頻段內(nèi)達(dá)到-18 dB以下, 滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 不同h 2 時(shí)的S 參數(shù)Fig.7 S-parameters for different h 2

圖8給出超表面單元的數(shù)量對(duì)天線S參數(shù)的影響, 在工作頻帶內(nèi), 隨著超表面單元數(shù)量的增加, 天線的阻抗匹配逐漸變好, 低頻段隔離度逐漸減小, 高頻段隔離度先增大后減小。5×6超表面在工作頻段內(nèi),S11達(dá)到-15 dB以下,S21達(dá)到-18 dB以下, 同時(shí)實(shí)現(xiàn)了最好的匹配性能和解耦效果。

圖8 不同超表面單元數(shù)量的S 參數(shù)Fig.8 S-parameters for different numbers of metasurface units

4 結(jié)果與討論

天線印刷在相對(duì)介電常數(shù)為4.4的FR4介質(zhì)基板上, 圖9為天線的實(shí)物圖。 采用Agilent公司N5221A 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量天線的S參數(shù),Lab-Volt公司8092型自動(dòng)天線測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量天線的輻射方向圖。

圖9 天線實(shí)物圖Fig.9 Fabricated photographs of antenna

圖10為天線仿真和測(cè)量的S參數(shù)曲線, 由圖可知, 仿真與測(cè)量結(jié)果基本一致, 仿真的-10 dB阻抗帶寬為16.98%(3.18 GHz～3.77 GHz),-18 dB解耦帶寬為11.40%(3.3 GHz～3.7 GHz);測(cè)量的-10 dB阻抗帶寬為13.83%(3.23 GHz～3.71 GHz),-18 dB 解耦帶寬為10.34%(3.3 GHz～3.66 GHz)。 測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果的差異主要源于介質(zhì)基板的介電常數(shù)偏差以及加工誤差。

圖10 天線S 參數(shù)Fig.10 S-parameters of antenna

圖11為天線在3.5 GHz處的歸一化輻射方向圖, 其中天線1被激勵(lì), 天線2接50Ω負(fù)載。

圖11 天線輻射方向圖Fig.11 Radiation patterns of antenna

由圖11可知,測(cè)量與仿真結(jié)果基本一致,加載超表面前后, 陣列天線能夠?qū)崿F(xiàn)較好的寬邊輻射。 圖12為天線的增益曲線, 由圖可知, 加載超表面前后, 天線的仿真峰值增益從2.56 dB提高至5.7 dB, 天線的實(shí)測(cè)峰值增益從1.28 dB提高至4.52 dB。

圖12 天線增益Fig.12 Gain of antenna

表2給出了本文天線和文獻(xiàn)中天線的性能比較。 由表可知, 本文天線的單元間距最小(0.015λ0), 剖面最低(0.1λ0)。

表2 基于超表面解耦的天線性能對(duì)比Tab.2 Performance comparison of antennas based onmetasurface decoupling

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用在WiMAX 3.5 GHz頻段的緊耦合陣列天線, 加載耶路撒冷十字超表面提高天線單元間隔離度, 單元間距為1.3 mm(0.015λ0), 剖面高度為8.2 mm(0.1λ0).測(cè)量結(jié)果表明,-10 dB 阻抗帶寬為13.83%(3.23 GHz～3.71 GHz),-18 dB 解耦帶寬為10.34%(3.3 GHz～3.66 GHz)。 天線結(jié)構(gòu)簡單,成本較低, 易于加工, 具有良好的輻射特性。