基于特征模式分析的宽带圆极化超表面天线

谭祥俊,卢忠亮,宋 谦,彭 强

(江西理工大学 信息工程学院,江西 赣州 341000)

圆极化天线能抑制极化失配和减小多径干扰,因而被广泛应用于无线局域网、射频识别技术以及卫星通信等领域[1-2]。由于现代各种无线通信系统都要求具有宽带高速的信息处理能力,因此,对宽带圆极化天线的研究有重要价值。

提高圆极化天线的轴比带宽的主要方法包括采用双馈或多馈网络[3]、选用厚介质板[4]、加入寄生贴片[5],然而这些方法增加了天线的几何尺寸和分析设计难度。超表面是一种二维超材料,具有易于制造、低剖面、可以拓展天线带宽等优点,它常被用于将线极化波转换成圆极化波[6],随之各种宽带圆极化超表面天线被提出[7-10]。Zheng 等[11]提出了一种单馈圆极化超表面天线,截角方形驱动贴片产生一个谐振模式,带有寄生元件的超表面激发两个额外的谐振模式,联合谐振使天线具有11.9%的轴比带宽。Zhao 等[12]设计了一种由4×4 的H 型超表面和正十字缝隙耦合馈电结构组成的超表面天线,微带线斜45°馈入十字缝隙将三个特征模式两两激励实现宽带圆极化,获得了14.3%的3 dB 轴比带宽,但是馈电结构设计过程复杂。此外,超表面还被用作反射器,Chen 等[13]设计了一种基于极化旋转反射表面(PRRS)的宽带圆极化天线。PRRS 有两个极化旋转频点,通过调整超表面单元截断角的尺寸,拉近两相邻频点实现了宽带效果,但该天线存在空气层,剖面较高。在超表面的分析方法方面,对于理想的无限延伸的周期结构超表面,可用等效电路[14]和色散曲线[15]两种方法来分析,但对于超表面天线,由于单元数量有限,且与馈电缝隙存在耦合,这两种方法并不适合。特征模式理论[16-17]则能分析出超表面天线结构中的各种谐振模式,包括场分布和谐振频率,在此基础上设计天线可以减少盲目性。

本文提出了一种低剖面的宽带圆极化超表面天线。首先利用特征模理论对超表面进行了分析,然后采用缝隙耦合馈电激励两个可用于实现圆极化辐射的正交模式。研究发现,两正交模式中间频段的模式显著性(Modal Significance,MS) 小 于0.707,MS 值 大 于0.707 时模式被认为是显著的[18]。通过将地板上的耦合缝隙旋转,可以有效提升两个模式中间频段的MS值,拓展轴比带宽,从而实现宽带圆极化。仿真和实测结果表明天线有较宽的阻抗带宽和轴比带宽,圆极化辐射性能良好,可应用在C 波段的卫星通信系统中。

1 天线结构

图1 给出了天线的结构,天线的整体尺寸为40 mm×40 mm×2.6 mm,两层介质基板采用的是相对介电常数为4.4 的FR4 材料,厚度分别为h1=0.6 mm 和h2=2 mm。天线的超表面如图1(a)所示,超表面印制在最上层,由边长为w=9.5 mm 的4×4 方形贴片单元构成,每个单元对角切去了边长为s=2.8 mm 的小正方形,单元间距g=0.2 mm。图1(b)显示的是位于两层介质基板之间的金属地板,其中心位置是旋转α=15°的蝴蝶结状缝隙,缝隙的长Sl=25 mm,宽Sw=10 mm。图1(c)显示的是在底层表面的微带馈线,它的顶端是弧度为20°,半径r=10 mm 的扇形,在其两侧是两个通过金属接地柱与地板相连的矩形金属贴片,Fl=15.5 mm,Fw=1.1 mm,fl=3 mm,fw=0.5 mm。天线其他尺寸为l=3 mm,l1=3 mm,w1=1.3 mm,g1=1 mm,Tl=5 mm,Tw=15 mm。

图1 天线的结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the antenna structure

2 圆极化产生的机理

2.1 特征模理论

特征模分析方法是将金属体表面感应电流展开为一系列相互正交的特征电流,可以将表面感应电流表示为:

式中:αn是展开系数;Jn表示特征电流。利用电场积分方程,并引入阻抗算子,可得到:

式中:Vn为模式激励系数,当外加激励信号时,确定哪种模式容易被激发;λn是特征值。式(2)除去Vn剩下的部分被定义为模式显著性,它是特征电流的归一化幅度,即:

MS 是圆极化天线设计的一个重要参数,MS 随频率变化曲线表明某个模式在某些频段发挥作用的潜在能力。当某个模式的MS 值大于0.707 时,此时该模式可被认为是显著模式,在合适的位置施加激励就可产生良好的辐射;当模式的MS 值小于0.707 时,此时该模式被认为是非显著模式,说明该模式处于非谐振状态。

另一个关键参数是特征角(CA),它表示特征电流与其对应的特征电场切向分量之间的相位差,特征角的定义为:

为了产生圆极化辐射,需要同时激励两个正交的特征模式并满足如下要求:

(1)两种模式的MS 值应较大且接近,MS1≈MS2。

(2)两种模式的CA 应该有约90°的相位差。

(3)两种模式的电流方向相互正交。

(4)两种模式的最大辐射方向一致。

2.2 超表面的特征模式分析

基于上述理论,首先利用集成在CST MWS 中的特征模式分析(CMA)工具对超表面结构进行分析。图2 显示了超表面前六种特征模式的MS 曲线,可以看出这六种模式谐振在不同的频段,在4.7 GHz 时,模式1 的MS 值等于1 且MS 值在4.55～5.2 GHz 的宽频带范围内均大于0.707,而模式4 在5.7 GHz 处MS 值等于1。超表面前六种模式的特征角如图3 所示,模式1 和模式4 在4.7～5.7 GHz 频段内特征角都有约90°的相位差。

图2 前六种模式的MSFig.2 MS of the first six modes

图3 前六种模式的特征角Fig.3 Characteristic angles of the first six modes

图4 和图5 分别给出了模式1～模式4 在各自谐振频点上的模式电流分布和辐射方向图。在这些模式中,只有模式1 和模式4 沿+z方向辐射,两模式的电流方向相对于yoz平面对称并相互正交。模式2 与模式3在+z方向上的远场辐射很弱,电流方向不正交,模式意义较低。结合前文分析,只要同时激发模式1 和模式4 就能实现圆极化辐射。值得注意的是,从图2 可以看出,模式1 和模式4 的MS 值在两模式中间频段内小于0.707,两模式难以同时被激发实现圆极化,需要通过馈电结构对模式进行补偿。

图4 模式1～模式4 的电流分布Fig.4 Current distribution of mode 1-mode 4

图5 模式1～模式4 的辐射方向图Fig.5 Radiation patterns of mode 1-mode 4

3 天线的馈电

天线采用的是缝隙耦合馈电。之前的特征模式分析模型中采用无限大地板且没有缝隙,用于分析超表面的特征模式(结果见图2)。现考虑地板缝隙对模式的影响,分析时地板设为实际大小并刻蚀缝隙,取两个边射的模式,结果如图6 所示。当缝隙处于水平状态时,需要激发的两模式中间频段的MS 值小于0.707,模式在当前状态下激发不能很好地辐射,3 dB轴比带宽会因此受到影响。轴比的情况可从图7 得知,4.8～5.5 GHz 的轴比曲线向上凸起并没有在3 dB 以下,只在两个很窄的频段内有3 dB 轴比带宽。当把水平缝隙旋转α=15°后,两模式交点附近频段的MS 值也变得大于0.707。对应地在图7 中可以看到,原来凸起的一段轴比曲线都下陷到3 dB 以下,形成了4.68～5.55 GHz 的3 dB 轴比宽带。结果与对超表面进行特征模式分析得到的预估带宽(4.7～5.7 GHz)基本吻合。

图6 缝隙旋转角度对MS 的影响Fig.6 The effect of slit rotation angle on MS

图7 缝隙旋转角度对轴比的影响Fig.7 The effect of the rotation angle of the slot on the axial ratio

4 仿真与实测结果

为了验证该天线的性能,采用多层PCB 工艺将两层介质和三层金属压合在一起,加工了一个尺寸为40 mm×40 mm×2.6 mm 的天线样品。图8 给出了加工的样品原型以及实测场景,天线的阻抗带宽、轴比、增益和辐射方向图均在微波暗室中测得。

图8 天线实物及测试场景Fig.8 Antenna object and test scene

仿真与实测所得的反射系数、轴比和增益结果对比如图9 所示。图9(a)给出了仿真与实测的阻抗带宽,仿真的-10 dB 阻抗带宽为31.4%(4.11～5.64 GHz),实测的阻抗带宽结果为27.4%(4.41～5.81 GHz)。图9(b)给出了仿真与实测的轴比带宽,可以看到仿真的3 dB 轴比带宽为4.68～5.55 GHz(17.1%),而实测的轴比带宽为4.95～5.7 GHz(14.2%)。天线的主极化是右旋圆极化,增益随频率变化平稳,如图9(c)所示,在3 dB 轴比频率范围内实测增益大于5.8 dBi。天线测试结果与仿真结果呈现较好的一致性,阻抗带宽和轴比带宽的实测结果相比仿真结果整体频率都向高频有一定的偏移,这种差异可能是由加工和测量误差导致的。

图9 天线仿真与实测结果对比Fig.9 Comparison of simulation and actual measurement results of antenna

在4.9 GHz 时模拟与测量的xoz平面和yoz平面的辐射方向图如图10 所示。需要说明的是,由于测量条件的限制,测得的后瓣辐射接近于0,实测结果与模拟结果基本吻合。天线的主极化为右旋圆极化,左旋圆极化为交叉极化,方向图主瓣上的最大增益为7 dBi,交叉极化水平低于-25 dB。辐射方向图具有良好的对称性,说明特征模式分析中的两模式被很好地激发。表1 总结了该天线与其他文献中天线的性能,可以看出,该天线不仅尺寸小剖面低,也有较宽的阻抗带宽和轴比带宽。

表1 天线性能与文献对比Tab.1 Comparison of antenna performance with other literatures

图10 仿真与实测的辐射方向图Fig.10 Radiation pattern of simulation and measurement

5 结论

本文利用特征模式分析方法对宽带圆极化天线进行优化设计。首先对超表面本身进行特征模式分析,通过调整切角的大小使得两个正交的边射模式谐振频率分离,从而使得天线具备宽轴比带宽的潜力。为解决中心频率处MS 太低的问题,又对带有缝隙的地板和超表面一并进行特征模式分析,发现通过调整地板上缝隙的旋转角度可以提升两正交模式在中心频率处的MS 值,从而有效地提升3 dB 轴比带宽。仿真结果与实测结果表明,所设计的天线具有31.4%的-10 dB阻抗带宽和17.1%的3 dB 轴比带宽,在阻抗带宽范围内增益变化平稳,圆极化性能良好。此外,该天线尺寸小,剖面低,有利于与载体共形,在无线局域网、卫星通信等领域有着较好的应用前景。