作者:Jian Dong, Chang Ding and Jinjun Mo 来源:Materials 发布时间:2021/11/16 15:23:14
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中南大学董健教授团队——基于超表面的低剖面宽带线转圆极化天线丨MDPI Materials

论文标题:A Low-Profile Wideband Linear-to-Circular Polarization Conversion Slot Antenna Using Metasurface (基于超表面的低轮廓宽带线-圆极化转换槽天线)

期刊:Materials

作者:Jian Dong, Chang Ding and Jinjun Mo

发表时间:5 March 2020

DOI:10.3390/ma13051164

微信链接:

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzg5MzU5MDkwMg==&mid=2247493810&idx=1&sn=

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期刊链接:

https://www.mdpi.com/journal/materials

作者介绍

董健

中南大学

中南大学教授、博导,主要研究方向包括天线、电磁超材料、复杂微波器件建模和优化、5G/物联网通信、智能干扰决策技术等。

丁昶

中南大学

中南大学硕士研究生,主要研究方向为电磁超表面、特征模理论。

莫锦军 (通讯作者)

桂林电子科技大学

桂林电子科技大学副教授,曾先后在国防科技大学、航天一院、加拿大蒙特利尔大学以及中南大学等单位从事研究工作。主要研究方向为计算电磁学、天线技术和电磁散射特性等。

引言

随着无线通信技术的飞速发展,人们对天线提出了更高的要求。圆极化天线因其损耗小、抗干扰、接收任意极化波等优势,成为了许多通信系统的选择。微带贴片天线具有成本低、体积小、结构简单、易于集成等优点,在圆极化天线设计中得到了广泛应用。通常单点馈电圆极化天线结构简单,但3 dB轴比带宽较窄。多点馈电圆极化天线则需要复杂的馈电网络,增加了天线剖面。因此,如何在保持天线低剖面的同时扩展圆极化带宽成为研究热点。超表面作为人造结构材料,由于其具有新颖的电磁特性,为低剖面宽带圆极化微带天线提供了新的设计思路。

近期,中南大学董健教授团队和桂林电子科技大学莫锦军副教授合作在Materials期刊上发表了题为“A Low-Profile Wideband Linear-to-Circular Polarization Conversion Slot Antenna Using Metasurface” 的文章,通过在缝隙微带天线上放置“寄生方形十字间隙”超表面,设计了一种用于卫星通信的新型低剖面宽带线转圆极化天线。

研究内容

01 模型建立

文章提出的天线结构如图1所示:它由边长为36 mm,厚度分别为3 mm和0.5 mm的两块FR4介质基板组成。顶层以2 × 2排列的4单元超表面结构。中间是金属接地层,阶梯槽用于良好的阻抗匹配。底层采用共面波导 (CPW) 馈线来激发缝隙天线辐射。表1列出了天线的参数值。

图1. 天线结构 (a) 俯视图,(b) 后视图,(c)侧视图.

表1. 天线参数 (单位:mm)

02 圆极化机制分析

超表面单元的等效电路如图2(a) 所示。当十字间隙上没有寄生方形时,结构对称,正交分量具有相同阻抗。E1E2将超表面视为等效RLC电路,如图2(b) 所示,其阻抗可表示为:

E1E2对应两个不同的阻抗Z1和Z2。当十字间隙添加寄生方形时,间隙增大,导致Z1比Z2更具容性。因此,可以通过改变寄生方形的大小来改变Z1和Z2之间的相位差。当|Z1| = |Z2|且∠Z1 − ∠Z2 = 90°时,对应有|E1| = |E2|且∠E1 − ∠E2 = 90°,可实现圆极化。因此,将图2(b) 添加寄生方形的单元按2 × 2的布局排列,形成图2(c) 初始超表面结构。

图2. (a) 超表面单元等效电路;(b) 超表面单元电场分布;(c) 初始超表面结构

从图2可知,超表面添加寄生方形,可以实现线转圆极化。为了进一步提高超表面的圆极化性能,提出了一种具有更多数量寄生方形的超表面结构,即7对寄生方形十字间隙超表面。如图3所示,接着用相位分析验证了两个超表面的圆极化性能。图4显示了E1E2之间的相位差,可以看出,7对寄生方形十字间隙超表面比4对寄生方形十字间隙超表面的相位差更接近90°。因此,7对寄生方形十字间隙超表面被确定为最终天线的超表面结构。

图3. 7对寄生方形十字间隙超表面

图4. 寄生方形十字间隙超表面的相位差 (a) 4对,(b) 7对

03 研究结果

图5为天线实物图,测量得到该超表面天线性能参数如图6和7所示。S11带宽为39.25% (4.28 -6.37 GHz),3dB轴比带宽为17.77% (5.18-6.19 GHz)。在5-6 GHz带宽范围内,该天线增益和辐射效率分别在6.8dB和88%左右波动。该天线在xoz和yoz平面上都具有较低的左旋圆极化 (约-15 dB) 和较高的右旋圆极化 (约7dB),证明该天线为右旋圆极化天线。

图5. 超表面天线实物图:(a) 俯视图,(b) 后视图

图6. 超表面天线性能参数:(a) S11,(b) 轴比

 

图7. 超表面天线性能参数: (a) 增益和效率,(b) xoz面辐射方向图,(c) yoz面辐射方向图

实验证实了超表面可实现极化转变、拓宽工作频段。且提出的圆极化超表面天线具有结构紧凑、阻抗和轴比带宽宽等优点,在C波段卫星通信中具有良好的应用前景。

 
 
 
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