基于超表面的超宽带低剖面双极化天线

刘桂凤，杜 彪，何应然

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

随着通信系统朝着多功能、集成化、小型化的方向发展，要求天线具有小型化和宽频带工作的能力。同时，小型化宽频带天线技术也是天线技术的发展趋势之一[1-5]。另一方面，由于能够增大信道容量和较好地解决多径传播问题等优点，双极化天线被国内外学者广泛关注[6-8]。因此，设计和研发宽频带低剖面的双极化天线具有重要的实际应用价值。

目前常用的双极化形式天线主要有微带天线和交叉偶极子天线两大类。微带天线虽然具有较低的剖面，但是带宽一般较窄，很难满足现代通信系统对天线宽频带的需求[9-11]；交叉偶极子天线由于具有频带宽、结构简单等优点，被广泛应用于双极化的设计中[12-14]。为了得到定向辐射，一般在距偶极子下方四分之一波长处加载金属地板。这样的距离能够保证金属地板的反射波与其入射波之间的相位差为0°，从而实现高增益和良好阻抗匹配。然而这样的高度不能满足交叉偶极子天线的低剖面要求。

近年来，学者们提出利用人工磁导体来实现偶极子低剖面的特性。由于人工磁导体具有同相反射相位特性，将人工磁导体作为反射板可以降低天线与反射板之间的距离[16-18]。文献[16-17]中的偶极子天线虽然通过利用超表面实现了低剖面特性，然而文献[16]中天线产生的双频带带宽分别为15.6%和9.3% (5.12～5.62 GHz)，文献[17]中的天线带宽为54.8%。为了进一步拓展交叉偶极子天线的带宽，本文在超表面阵列与金属地板之间加载了空气层。此外，与之前超表面阵列传统布局不同，为了抑制超表面对天线高频段性能的影响，本文对其周期结构进行了切角设计。最终设计和加工了天线样机，在0.81～2.35 GHz(97.4%)内，天线的电压驻波比小于2，且该天线具有良好的端口隔离度和定向辐射的方向图，天线增益为5～11 dBi。

1 超表面阵列的工作原理

1.1 超表面单元特性分析

超表面单元结构示意如图1所示。贴片印制在介电常数为3.66，厚度t=0.8 mm的Rogers RO 4350介质板上。为了能够得到相对较宽的同相反射相位带宽，在贴片与地板之间采用空气层设计(高度为cH)。文献[18]给出了同相反射相位带宽的定义，即反射相位-90°～+90°所对应的频率范围。

图1 超表面单元结构

图2给出了超表面单元同相反射相位频段随不同结构参数的变化曲线。图2中的仿真结果均是单元结构在周期边界条件下得到的。由图2可以看出，通过改变单元的结构参数可以实现特定频段内的同相反射相位特性。最终，根据所需要的工作频带(0.8～1.79 GHz)，确定该超表面单元的周期P=14.7 mm，贴片边长cl=13.3 mm，单元间距g=0.7 mm，超表面与地板之间的距离H2=32.2 mm。图3给出了该超表面单元同相反射相位仿真结果。可以看出，同相反射相位带宽为0.8～1.79 GHz。

(a) 不同cl对应的反射相位

图3 超表面反射相位仿真结果

1.2 超表面阵列

在分析超表面单元性能时，采用了周期边界条件，假定超表面阵列具有无限大的周期结构，但是在实际应用中这是不可能实现的，超表面阵列的单元数量会对其加载到天线之后的整体性能产生影响。因此，给出了不同数量超表面阵列加载的双极化偶极子天线的性能对比。图4分别展示了13×13、15×15和17×17三种超表面阵列加载的偶极子天线。

图4 超表面阵列加载的偶极子天线

图5给出了这三种超表面阵列加载的偶极子天线性能的仿真结果。由图5(a)可以看出，加载的超表面数量越多，天线的电压驻波比越好。由图5(b)可以看出，加载的超表面数量越多，天线高频段的增益反而下降，并且加载的数量越多，天线的尺寸就会越大。因此，本文最终选择超表面阵列的单元数量为15×15，尺寸为220.5 mm×220.5 mm。

(a) 电压驻波比

2 天线设计

2.1 超表面阵列加载天线

超表面阵列加载天线的结构示意如图6所示。该双极化天线由两对垂直放置的偶极子天线(偶极子1和偶极子2)、超表面阵列、金属墙和金属地板组成。两对偶极子天线印制在介电常数为3.66，损耗角正切为0.004，厚度为0.8 mm的Ros4350介质板上。偶极子天线和超表面结构被金属墙包围。超表面阵列由161个金属贴片单元结构组成，该超表面阵列放置在偶极子天线的下方，距其高度为H1。超表面阵列为15×15个单元的周期布阵，在4个角分别挖去4×4个单元，最终得到了161个单元的超表面阵列，其距金属地板的高度为H2。天线参数如下：L=130 mm，L1=220.5 mm，Lg=300 mm，Lm=224.5 mm，H=38 mm，H1=4.2 mm，H2=32.2 mm。

(a) 整体图

2.2 天线设计过程

为了能够清晰地理解天线的设计思路，图7给出了该天线的设计过程。图8给出了这5个天线电压驻波比和辐射方向图的仿真结果。

图7 天线的设计过程

(a) 电压驻波比

首先双极化天线由2对正交的偶极子天线组成。由于采用了正交的偶极子，能够引入附加的谐振点，从而拓展了天线的带宽。为了得到单向辐射的方向图，在偶极子天线下方放置了金属地板，得到天线1。天线1中偶极子距金属地板的高度H=88 mm，是最低工作频率的四分之一个波长。由图8(a)可知，天线1在0.85～2.3 GHz频带内电压驻波比小于2，然而其在2 GHz频率的方向图裂瓣。

为了实现低剖面，将天线1中偶极子距金属地板的高度H由88 mm减小至38 mm，得到了天线2。由图8(a)可知，由于剖面的降低，低频处天线2的电压驻波比升高，且电压驻波比小于2的频带向高频移动。由图8(b)可知，天线在2 GHz频率的方向图裂瓣情况得到改善。

为了改善天线电压驻波比，根据1.2节研究的结果，在天线2中加载了15×15个单元的超表面阵列，且距金属地板和正交偶极子距离分别是32.2，4.2 mm，即天线3。可以看出，低频处的驻波得到了明显改善，但高频段的驻波和辐射方向图变差。

为了进一步改善天线3的电压驻波比和高频段的辐射方向图，在天线3周围加载了短路金属墙，得到了天线4。由图8(a)可知，天线4整个频带的电压驻波比得到了改善，但是2 GHz频率的方向图仍有裂瓣。

为了分析方向图裂瓣的原因，图9给出了超表面阵列的色散曲线。可以看出，超表面结构在频率低于2 GHz时，2条表面波的色散曲线与光线的色散曲线重合，表明该结构不能传播表面波，因此在该频段内不存在表面波；当频率高于2 GHz时，模式1的色散曲线与光线的色散曲线开始分离，表明2 GHz以上开始出现表面波。表面波的出现会对天线的匹配和辐射特性产生一定的影响。

图9 超表面色散曲线

为了抑制表面波传播，进而改善高频段的匹配和方向图，将超表面阵列的4个顶角分别挖去4×4个单元的周期结构，形成天线5。图10给出了在2 GHz频率处天线4和5的超表面上表面波电流分布，可知切角设计的天线5的超表面上表面波电流明显减弱，表面波得到了有效抑制。由图8可知，天线5在 0.8～2.1 GHz频带内电压驻波比小于2，且方向图的裂瓣情况得到了改善。

(a) 天线4

3 天线样机与测试验证

为了验证该天线设计的正确性，加工了天线样机，并且进行了测试，天线样机和测试场地的照片如图11所示。

图11 天线样机和测试照片

使用矢量网络分析仪测试了该天线电压驻波比和端口隔离度；该天线的远场辐射性能(方向图和增益等)在微波暗室测试得到。需要说明的是，当给一个端口馈电时，另一个端口连接50 Ω的匹配负载。由于2个端口的传输和辐射性能的测试结果基本相同和篇幅限制，下面仅给出端口1馈电时的天线性能测试结果。

图12给出了天线端口1的测试电压驻波比和端口隔离度。可以看出，该天线测试的电压驻波比小于2的频带为0.81～2.35 GHz；在该工作频带内，端口隔离度大于15 dB。

图12 电压驻波比和端口隔离度测试结果

图13 给出了天线端口1在0.9，1.2，1.6，1.8，2 GHz的实测归一化辐射方向图，其中图13(a)为XOZ面辐射方向图；图13(b)为YOZ面辐射方向图。可以看出，在工作频带内，天线具有稳定的辐射方向图。

(a) XOZ面

图14给出了天线增益的测试结果。可以看出，在工作频带内，天线的增益为5～11 dBi。

图14 测试的天线增益

4 结束语

本文提出了一款基于超表面的超宽带低剖面双极化天线。通过加载具有宽带同相反射相位特性的超表面结构，在保证宽频带的情况下，实现了正交偶极子天线的低剖面特性。此外，为了抑制表面波对天线性能的影响，对超表面阵列进行了切角设计。仿真与测试结果表明，在0.81～2.35 GHz(97.4%)频带内，天线的电压驻波比小于2，端口隔离度大于15 dB，增益为5～11 dBi，且天线的剖面高度仅为38 mm(0.1λL，λL为最低频点对应的波长)。