基于特征模式分析的寬帶圓極化超表面天線

譚祥俊,盧忠亮,宋 謙,彭 強

(江西理工大學 信息工程學院,江西 贛州 341000)

圓極化天線能抑制極化失配和減小多徑干擾,因而被廣泛應用于無線局域網、射頻識別技術以及衛星通信等領域[1-2]。由于現代各種無線通信系統都要求具有寬帶高速的信息處理能力,因此,對寬帶圓極化天線的研究有重要價值。

提高圓極化天線的軸比帶寬的主要方法包括采用雙饋或多饋網絡[3]、選用厚介質板[4]、加入寄生貼片[5],然而這些方法增加了天線的幾何尺寸和分析設計難度。超表面是一種二維超材料,具有易于制造、低剖面、可以拓展天線帶寬等優點,它常被用于將線極化波轉換成圓極化波[6],隨之各種寬帶圓極化超表面天線被提出[7-10]。Zheng 等[11]提出了一種單饋圓極化超表面天線,截角方形驅動貼片產生一個諧振模式,帶有寄生元件的超表面激發兩個額外的諧振模式,聯合諧振使天線具有11.9%的軸比帶寬。Zhao 等[12]設計了一種由4×4 的H 型超表面和正十字縫隙耦合饋電結構組成的超表面天線,微帶線斜45°饋入十字縫隙將三個特征模式兩兩激勵實現寬帶圓極化,獲得了14.3%的3 dB 軸比帶寬,但是饋電結構設計過程復雜。此外,超表面還被用作反射器,Chen 等[13]設計了一種基于極化旋轉反射表面(PRRS)的寬帶圓極化天線。PRRS 有兩個極化旋轉頻點,通過調整超表面單元截斷角的尺寸,拉近兩相鄰頻點實現了寬帶效果,但該天線存在空氣層,剖面較高。在超表面的分析方法方面,對于理想的無限延伸的周期結構超表面,可用等效電路[14]和色散曲線[15]兩種方法來分析,但對于超表面天線,由于單元數量有限,且與饋電縫隙存在耦合,這兩種方法并不適合。特征模式理論[16-17]則能分析出超表面天線結構中的各種諧振模式,包括場分布和諧振頻率,在此基礎上設計天線可以減少盲目性。

本文提出了一種低剖面的寬帶圓極化超表面天線。首先利用特征模理論對超表面進行了分析,然后采用縫隙耦合饋電激勵兩個可用于實現圓極化輻射的正交模式。研究發現,兩正交模式中間頻段的模式顯著性(Modal Significance,MS) 小 于0.707,MS 值 大 于0.707 時模式被認為是顯著的[18]。通過將地板上的耦合縫隙旋轉,可以有效提升兩個模式中間頻段的MS值,拓展軸比帶寬,從而實現寬帶圓極化。仿真和實測結果表明天線有較寬的阻抗帶寬和軸比帶寬,圓極化輻射性能良好,可應用在C 波段的衛星通信系統中。

1 天線結構

圖1 給出了天線的結構,天線的整體尺寸為40 mm×40 mm×2.6 mm,兩層介質基板采用的是相對介電常數為4.4 的FR4 材料,厚度分別為h1=0.6 mm 和h2=2 mm。天線的超表面如圖1(a)所示,超表面印制在最上層,由邊長為w=9.5 mm 的4×4 方形貼片單元構成,每個單元對角切去了邊長為s=2.8 mm 的小正方形,單元間距g=0.2 mm。圖1(b)顯示的是位于兩層介質基板之間的金屬地板,其中心位置是旋轉α=15°的蝴蝶結狀縫隙,縫隙的長Sl=25 mm,寬Sw=10 mm。圖1(c)顯示的是在底層表面的微帶饋線,它的頂端是弧度為20°,半徑r=10 mm 的扇形,在其兩側是兩個通過金屬接地柱與地板相連的矩形金屬貼片,Fl=15.5 mm,Fw=1.1 mm,fl=3 mm,fw=0.5 mm。天線其他尺寸為l=3 mm,l1=3 mm,w1=1.3 mm,g1=1 mm,Tl=5 mm,Tw=15 mm。

圖1 天線的結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the antenna structure

2 圓極化產生的機理

2.1 特征模理論

特征模分析方法是將金屬體表面感應電流展開為一系列相互正交的特征電流,可以將表面感應電流表示為:

式中:αn是展開系數;Jn表示特征電流。利用電場積分方程,并引入阻抗算子,可得到:

式中:Vn為模式激勵系數,當外加激勵信號時,確定哪種模式容易被激發;λn是特征值。式(2)除去Vn剩下的部分被定義為模式顯著性,它是特征電流的歸一化幅度,即:

MS 是圓極化天線設計的一個重要參數,MS 隨頻率變化曲線表明某個模式在某些頻段發揮作用的潛在能力。當某個模式的MS 值大于0.707 時,此時該模式可被認為是顯著模式,在合適的位置施加激勵就可產生良好的輻射;當模式的MS 值小于0.707 時,此時該模式被認為是非顯著模式,說明該模式處于非諧振狀態。

另一個關鍵參數是特征角(CA),它表示特征電流與其對應的特征電場切向分量之間的相位差,特征角的定義為:

為了產生圓極化輻射,需要同時激勵兩個正交的特征模式并滿足如下要求:

(1)兩種模式的MS 值應較大且接近,MS1≈MS2。

(2)兩種模式的CA 應該有約90°的相位差。

(3)兩種模式的電流方向相互正交。

(4)兩種模式的最大輻射方向一致。

2.2 超表面的特征模式分析

基于上述理論,首先利用集成在CST MWS 中的特征模式分析(CMA)工具對超表面結構進行分析。圖2 顯示了超表面前六種特征模式的MS 曲線,可以看出這六種模式諧振在不同的頻段,在4.7 GHz 時,模式1 的MS 值等于1 且MS 值在4.55～5.2 GHz 的寬頻帶范圍內均大于0.707,而模式4 在5.7 GHz 處MS 值等于1。超表面前六種模式的特征角如圖3 所示,模式1 和模式4 在4.7～5.7 GHz 頻段內特征角都有約90°的相位差。

圖2 前六種模式的MSFig.2 MS of the first six modes

圖3 前六種模式的特征角Fig.3 Characteristic angles of the first six modes

圖4 和圖5 分別給出了模式1～模式4 在各自諧振頻點上的模式電流分布和輻射方向圖。在這些模式中,只有模式1 和模式4 沿+z方向輻射,兩模式的電流方向相對于yoz平面對稱并相互正交。模式2 與模式3在+z方向上的遠場輻射很弱,電流方向不正交,模式意義較低。結合前文分析,只要同時激發模式1 和模式4 就能實現圓極化輻射。值得注意的是,從圖2 可以看出,模式1 和模式4 的MS 值在兩模式中間頻段內小于0.707,兩模式難以同時被激發實現圓極化,需要通過饋電結構對模式進行補償。

圖4 模式1～模式4 的電流分布Fig.4 Current distribution of mode 1-mode 4

圖5 模式1～模式4 的輻射方向圖Fig.5 Radiation patterns of mode 1-mode 4

3 天線的饋電

天線采用的是縫隙耦合饋電。之前的特征模式分析模型中采用無限大地板且沒有縫隙,用于分析超表面的特征模式(結果見圖2)?，F考慮地板縫隙對模式的影響,分析時地板設為實際大小并刻蝕縫隙,取兩個邊射的模式,結果如圖6 所示。當縫隙處于水平狀態時,需要激發的兩模式中間頻段的MS 值小于0.707,模式在當前狀態下激發不能很好地輻射,3 dB軸比帶寬會因此受到影響。軸比的情況可從圖7 得知,4.8～5.5 GHz 的軸比曲線向上凸起并沒有在3 dB 以下,只在兩個很窄的頻段內有3 dB 軸比帶寬。當把水平縫隙旋轉α=15°后,兩模式交點附近頻段的MS 值也變得大于0.707。對應地在圖7 中可以看到,原來凸起的一段軸比曲線都下陷到3 dB 以下,形成了4.68～5.55 GHz 的3 dB 軸比寬帶。結果與對超表面進行特征模式分析得到的預估帶寬(4.7～5.7 GHz)基本吻合。

圖6 縫隙旋轉角度對MS 的影響Fig.6 The effect of slit rotation angle on MS

圖7 縫隙旋轉角度對軸比的影響Fig.7 The effect of the rotation angle of the slot on the axial ratio

4 仿真與實測結果

為了驗證該天線的性能,采用多層PCB 工藝將兩層介質和三層金屬壓合在一起,加工了一個尺寸為40 mm×40 mm×2.6 mm 的天線樣品。圖8 給出了加工的樣品原型以及實測場景,天線的阻抗帶寬、軸比、增益和輻射方向圖均在微波暗室中測得。

圖8 天線實物及測試場景Fig.8 Antenna object and test scene

仿真與實測所得的反射系數、軸比和增益結果對比如圖9 所示。圖9(a)給出了仿真與實測的阻抗帶寬,仿真的-10 dB 阻抗帶寬為31.4%(4.11～5.64 GHz),實測的阻抗帶寬結果為27.4%(4.41～5.81 GHz)。圖9(b)給出了仿真與實測的軸比帶寬,可以看到仿真的3 dB 軸比帶寬為4.68～5.55 GHz(17.1%),而實測的軸比帶寬為4.95～5.7 GHz(14.2%)。天線的主極化是右旋圓極化,增益隨頻率變化平穩,如圖9(c)所示,在3 dB 軸比頻率范圍內實測增益大于5.8 dBi。天線測試結果與仿真結果呈現較好的一致性,阻抗帶寬和軸比帶寬的實測結果相比仿真結果整體頻率都向高頻有一定的偏移,這種差異可能是由加工和測量誤差導致的。

圖9 天線仿真與實測結果對比Fig.9 Comparison of simulation and actual measurement results of antenna

在4.9 GHz 時模擬與測量的xoz平面和yoz平面的輻射方向圖如圖10 所示。需要說明的是,由于測量條件的限制,測得的后瓣輻射接近于0,實測結果與模擬結果基本吻合。天線的主極化為右旋圓極化,左旋圓極化為交叉極化,方向圖主瓣上的最大增益為7 dBi,交叉極化水平低于-25 dB。輻射方向圖具有良好的對稱性,說明特征模式分析中的兩模式被很好地激發。表1 總結了該天線與其他文獻中天線的性能,可以看出,該天線不僅尺寸小剖面低,也有較寬的阻抗帶寬和軸比帶寬。

表1 天線性能與文獻對比Tab.1 Comparison of antenna performance with other literatures

圖10 仿真與實測的輻射方向圖Fig.10 Radiation pattern of simulation and measurement

5 結論

本文利用特征模式分析方法對寬帶圓極化天線進行優化設計。首先對超表面本身進行特征模式分析,通過調整切角的大小使得兩個正交的邊射模式諧振頻率分離,從而使得天線具備寬軸比帶寬的潛力。為解決中心頻率處MS 太低的問題,又對帶有縫隙的地板和超表面一并進行特征模式分析,發現通過調整地板上縫隙的旋轉角度可以提升兩正交模式在中心頻率處的MS 值,從而有效地提升3 dB 軸比帶寬。仿真結果與實測結果表明,所設計的天線具有31.4%的-10 dB阻抗帶寬和17.1%的3 dB 軸比帶寬,在阻抗帶寬范圍內增益變化平穩,圓極化性能良好。此外,該天線尺寸小,剖面低,有利于與載體共形,在無線局域網、衛星通信等領域有著較好的應用前景。