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。E1和E2将超表面视为等效RLC电路，如图2(b) 所示，其阻抗可表示为：

E1和E2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E1和E2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。