基于渐变折射率超表面的宽带高增益端射天线

张哲豪， 李 梅， 张艺曼，丁卓富， 唐明春

(1.重庆大学 微电子与通信工程学院，重庆 400044；2.成都雷电微力科技股份有限公司，四川 成都 610213)

0 引言

端射天线由于其独特的远场方向图特性得到广大专家、学者的关注。根据其辐射特性，挖掘出了各种各样的诸如室内走廊、隧道和高速公路等应用场景[1-6]。随着5G技术的发展，要求通信系统具有小型化、大容量和高增益等特点，为了满足实际应用需求，端射天线要具备上述优势。

端射天线分为双端射辐射和单端射辐射2种形式。采用阵列天线的形式是双端射辐射的一种常用实现方式[7-11]。文献[8]采用背对背的八木天线实现了双端射辐射特性，但是由于其堆叠的多层引向器结构，导致该天线具有较大的三维尺寸，因此限制了其实际应用。文献[10]采用多个辐射单元级联成为阵列从而实现双端射辐射。文献[11]提出了一种由6个方环级联而成的双端射天线。文献[10-11]的方案具有低剖面特性，但在组阵方向不可避免地扩大了尺寸(拓展到了约2.4λ0)。

近年来，超表面被广泛应用于天线单元及阵列的性能提升[12-16]。文献[14-15]通过将水平偶极子放置在人工磁导体(AMC)上方，实现了双端射设计。文献[14]超表面由双裂口谐振环组成，该超表面作为地板导致了双端射天线具有非对称的辐射方向图。文献[15]超表面由方形贴片组成，虽然该天线具有良好的双端射辐射特性，但可实现带宽仅约2%。文献[16]通过采用偶极子激励调制折射率超表面结构，实现了在紧凑环境下具有宽带效果的双端射天线设计。

单端射天线相比于双端射天线具有增益高、覆盖距离远等优势。国内外研究人员提出了多种单端射天线设计方法，如采用微带线和周期性排列的辐射单元组成的全金属漏波天线[17]，也可以通过在基板两侧分别印刷水平极化和垂直极化的磁电偶极子实现单端射辐射[18]，但上述2种方式均面临带宽窄的问题。文献[19-20]采用微带线-槽线或微带线-带状线等过渡结构馈电八木天线实现宽带化单端射天线，虽然该方案可以实现带宽拓展，但高增益特性仍然与引向器的个数相关，由于受限于引向器阵元间距，要实现高增益，仍然需要较大的尺寸。

鉴于此，本文提出了一种基于渐变折射率超表面的紧凑、宽带化、高定向性端射天线。采用传统端射天线，结合具有表面波调控特性的渐变折射率超表面，在尺寸为0.644λ0×0.729λ0×0.017λ0的情况下，实现了85.5%的阻抗匹配带宽，且在宽频带范围内，天线具有较稳定的高增益定向辐射特性。

1 紧凑宽带高定向性端射天线设计

1.1 渐变折射率超表面设计

根据弗洛奎定理可知，对于周期排列的超表面结构，通过仿真单个单元的特性即可得到其周期结构的特性。

如图1所示，采用全波仿真软件对超表面单元结构进行仿真[21]，空气盒子的四周设置为周期边界。上方和下方设置为PMC边界，仿真得到不同尺寸情况下超表面单元的第一阶模式的色散曲线如图1(a)所示，图中黑色虚线为自由空间中光线的色散曲线。可以看出，超表面单元的色散曲线均位于光线下方，说明其相速度比光线慢，此时超表面单元支持表面波模式。通过控制贴片边长p的不同，可以实现对超表面波数kt的调控，而等效折射率n=kt/k0，kt为超表面结构的波数，k0为自由空间中光线的波数。图1(b)中离散点为不同超表面边长情况下计算得到的相对折射率。

(a) 色散曲线

根据计算值，拟合出折射率n与贴片边长p之间的关系：

由曲线的走势可知，随着贴片边长p的增大，等效折射率n也增大，且n大于1。接下来将所设计的超表面结构，应用于端射偶极子天线，使其在紧凑化情况下具有宽带化、高增益定向特性。

1.2 基于渐变折射率超表面的宽带化、高增益定向端射天线设计

如图2所示，设计了一款基于渐变折射率超表面的紧凑、宽带化、高增益单端射定向天线。该天线由单层介质基板、阶梯阻抗微带线-槽线结构、馈电偶极子及渐变折射率超表面四部分组成。介质基板采用介电常数εr=4.4，厚度h=0.8 mm的FR-4材料。介质基板下表面印制了微带馈线结构，其中直接与馈电端口连接的微带线部分是宽度W5=1.5 mm的50 Ω传输线，未直接与馈电端口连接的微带线部分采用阶梯阻抗线形式。介质基板下表面的阶梯阻抗微带线与介质基板上表面槽线结合形成阶梯阻抗微带线-槽线结构，以实现宽带阻抗匹配。在槽线上方印制有准八木天线结构作为电磁波发射器。介质基板上表面同样印制有渐变折射率超表面结构，该超表面结构由3×6个亚波长贴片组成，且关于y轴对称放置。

图2 紧凑、宽带化高定向性端射天线结构

超表面部分的等效折射率n沿y轴中心向y轴正向和负向线性递减，相应地，贴片边长也沿着y轴中心向两端线性减小，当给出一个等效折射率的变化规律，贴片的尺寸也随之确定。根据前期仿真研究发现，当折射率变化范围更大时，频带范围内可实现增益更高，与此同时，工作带宽会更窄。考虑到可实现增益与带宽间相互制约的限制关系，折中取等效折射率1.05～1.35线性变化，即每行6个贴片等效折射率为1.05，1.2，1.35，1.35，1.2，1.05，则对应的超表面贴片尺寸为3.02，4.19，4.57，4.57，4.19，3.02 mm。值得注意的是，渐变折射率超表面的边缘2行设计为折射率略大于1(自由空间的指标值)的贴片，可以保证表面波向自由空间的自然辐射过渡。该渐变折射率超表面结构，既可实现端射天线的阻抗带宽拓展，同时又具备增益提升效果。天线具体参数如表1所示。

表1 天线模型具体尺寸

2 天线性能及原理分析

采用商业仿真软件HFSS 2020进行仿真。为了方便对比，仿真了未加载渐变折射率超表面的准八木天线作为参考天线，参考天线尺寸与所提出天线完全一致。图3为参考天线与所提出天线的反射系数曲线对比，参考天线可以实现3.6～7.71 GHz的阻抗匹配，相对阻抗带宽为72.6%，而所提出天线在3.66～9.13 GHz，反射系数小于-10 dB，具有良好的阻抗匹配特性，百分比带宽为85.5%。对比可知，由于加载渐变折射率超表面结构，所提出天线可以在高频范围处产生一个额外的谐振频点，实现约13%的带宽拓展。

图3 仿真反射系数曲线对比

参考天线与所提出天线端射方向可实现增益的仿真结果对比如图4所示。

图4 仿真可实现增益曲线对比

参考天线在频带范围内可实现增益为3.2～5 dBi，7.71 GHz处取得峰值增益为5 dBi；所提出天线在整个频带范围内，天线的可实现增益为4.7～8.81 dBi，8.7 GHz处取得峰值增益8.81 dBi，3 dB增益浮动带宽为 48.8%。相比于参考天线，在整个频带范围内实现了1.5～3.8 dB的增益提升效果。同时，在整个频带范围内天线仿真得到的辐射效率均大于85%。值得注意的是，天线在 9.13～9.78 GHz 可实现增益从 7.68 dBi 下降到 5.32 dBi，增益依然较高，但此时天线的远场辐射方向图产生畸变，旁瓣电平较高，不能满足实际应用的需求。

所提出天线不同频点处的E面及H面归一化辐射方向图如图5所示。

(a) 4 GHz辐射方向图

需要说明的是，为了简洁，仅给出了高频、低频及中心频点处的辐射方向图作为代表。其中，实线代表天线的主极化、虚线代表天线的交叉极化。不难看出，在整个频带范围内，天线具有良好的端射辐射效果和良好的前后比特性，表明所提出的天线具有宽频带的稳定定向辐射特性。

所提出的紧凑、宽带化、高定向性单端射天线的表面电场幅度分布仿真结果如图6所示。图6(a)为低频处(4 GHz)电场幅度分布图，图6(b)为高频处(8 GHz)电场幅度分布图。对比可知，无论在低频还是高频处，阶梯微带线-槽线结构及馈电偶极子上均存在较大电场分布，主要是因为在整个工作频带范围内，这两部分均作为激励源工作。而超表面上的电场分布在低频处较小，高频处相对较大，且电场主要集中在贴片边缘处，因此，渐变折射率超表面在高频处起到更加重要的作用。观察高频处(8 GHz)超表面上方电场幅度分布，沿着超表面调制方向(y轴)，电场幅度分布呈现两边电场分布较弱，中间电场分布强的特点，满足半波谐振规律，这也进一步验证了所提出天线相比于未加载渐变折射率超表面的参考天线在高频位置引入了一个新的谐振点，从而有效拓展带宽。值得注意的是，所加载渐变折射率超表面类似于八木天线引向器结构，可以有效实现天线增益提升，不同的是，所加载超表面不受间距的影响，因此，相比于八木天线可以实现紧凑化设计。

(a) 4 GHz (b) 8 GHz

3 结束语

本文提出了利用渐变折射率超表面实现紧凑、宽带化高增益单端射天线的方法。该天线采用阶梯阻抗微带线-槽线结构馈电准八木天线结构作为激励源，结合所设计线性调制折射率超表面实现带宽拓展和增益提升。仿真结果表明，该天线的带宽为85.5%，3 dB增益浮动带宽为48.8%。频带内峰值增益提升为8.87 dBi，且在整个频带范围内具有良好的端射辐射效果。此外，所设计天线具有紧凑化的特点，尺寸仅为0.64λ0×0.73λ0×0.017λ0，因此特别适用于空间受限的走廊、隧道等平台环境。