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一种宽带四极化可重构超表面天线
JUN HU（学生会员，IEEE），GUO QING LUO，（会员，IEEE）以及ZHANG-CHENG HAO，（高级成员，IEEE）
本文提出了一种具有四极化重构能力的低剖面宽带超表面天线。该天线由方形贴片、由4x4周期金属板点阵构成的面元和四个可切换的馈源探头组成，馈源探头与两个设计的单极双掷开关相连。通过合理选择馈源探头，可以在X向线性极化、正向线性极化、左旋圆极化和右旋圆极化四种极化状态之间动态重构超表面天线的极化。为了验证所提出的概念，设计、制造和测量了一个在5.6 GHz、相对高度为0.0670（0是自由空间中的工作波长）下工作的原型。测量结果表明，在线性和圆极化状态下，10dB的阻抗带宽和3dB的轴比带宽均大于5.1-6.0GHz。圆极化态和线极化态的最大增益分别为9.39dBic和9.85dBi。仿真和实验结果表明，该天线能够在较宽的频带内实现四极化可重构特性，表明该天线具有良好的极化可重构超表面天线性能。
关键词 极化可重构，宽带，低剖面，超表面天线，管脚二极管
1.引入
近年来，对可重构天线的研究，包括方向图[1]、[2]、频率[3]和极化[4]、[5]多样性，在现代无线通信系统中受到越来越多的关注。特别是，极化可重构天线由于在双正交线性极化（LP）、左旋圆极化（LHCP）和右旋圆极化（RHCP）中的热恢复特性，在许多应用中都是可取的，这具有通过消除M来提高系统性能的优点。多径衰落[6]，频率复用[7]，避免偏振失配。最近，已经为无线通信开发了许多极化可识别天线[8]–[18]。一般来说，极化可重构天线可以通过两种技术来实现。第一种方法是直接在天线的内部结构中引入可切换的扰动段，如[9]–[12]所示，另一种方法是采用可切换的馈送网络，如[13]–[15]所示。
在[9]-[11]中，利用射频开关控制辐射元件不同极化状态下的电流分布。然而，射频开关的直流偏压电路是在顶层设计的，这可能会严重影响天线的性能。在[14]中，供电网络引入了电控移相。通过控制馈源网络的状态，可以在LP、LHCP和RHCP之间切换天线的极化，或者在[19]-[23]中切换双正交线性极化和双正交圆极化。尽管如此，这些天线具有复杂的馈送网络或多端口输入，其工作带宽也很窄。
在我们之前的工作[24]中，我们使用四个LP天线元件实现了一个具有四极化可重构能力的宽带天线阵列，其中每个极化状态由四个LP天线元件构成。但作为一个常见的问题，阵列的四种极化状态的交叉极化水平在对角平面上都很高。通过使用[24]中类似的原理图，四个辐射元素顺时针或逆时针排列，并以等幅和90度相位差馈入以实现CP波。由于天线单元之间的空间较大，在对角平面上不能严格满足等幅90度相位差的条件，这可能会降低交叉极化性能。为了解决这个问题，可以用一个带有四个馈入探头的天线单元来代替四个馈入辐射单元。
本文提出了一种宽带四极化可重构超表面天线，它由一个方形贴片、一个超表面层和四个具有可切换馈源网络的馈源探头组成。通过对馈源探头的合理选择，该天线可以在X-LP、Y-LP、LHCP和RHCP四种极化状态下工作。本文的其余部分组织如下。第二节详细介绍了所提出的超表面天线的设计。第三节对模拟结果和实验结果进行了比较，最后得出了第四节的结论。
二、天线几何及工作原理
a.天线配置
所提议的共面天线的几何结构如图1所示。整个天线结构由三层组成：超表面层、驱动贴片层和馈入网络层，分别设计在两个0.508-mm厚的RO4350基板（10 GHz时sr=3.66和tan^=0.004）和一个0.508-mm厚的tly-5基板（10 GHz时^r=2.2和tan^=0.0009）上，如fi所示。G.1（A）。复面层与驱动贴片层之间的气隙高度为h4。驱动贴片层和馈电网络层通过一片0.1 mm厚的RO4450基板（R=3.48，tan^=0.004，10 GHz）连接。
超表层由周期性为p的4x4周期性金属板的晶格和两个相邻板之间的间隙g形成。驱动贴片层由一个宽度为wp的方形贴片和四个进给探头组成，这些探头使用两个设计的单极双掷（spdt）开关连接。四个尺寸为wm*lm的微带存根通过探针馈送的PIN二极管与驱动贴片连接[25]。驱动贴片由探头通过地平面上的圆孔馈送。孔和进料探针的直径分别表示为d、ds。可切换供电网络由一个2路功率分配器和两个SPDT开关组成，这些开关是由Macom公司的PIN二极管（MADP-000907-14020）设计的[26]。PIN二极管可以由直流电压通过偏压电路激活，偏压电路采用薄微带线作为电感，扇形微带线作为短电容。驱动贴片中心的短接销用于将贴片连接到直流偏压的接地平面。设计了输入微带线宽度W50
(a)
(b)
(c)
图1.提出的宽带四极化可重构超表面天线的几何结构。（a）侧视图。（b）俯视图。（c）底视图
特性阻抗为50欧姆。为了布置直流偏压电路，故意设计了比超表面层稍大一点的馈电网络，在设计中采用集中单元可以减小这种尺寸。
B.工作原理
方形驱动贴片的初始尺寸可通过以下公式确定：
式中，0是工作频率在空气中的波长，以使贴片在TM01模式下产生共振，并且是基板的相对介电常数。为了扩大工作带宽，设计中采用了超表面层，并将其加载到驱动贴片上，以引入表面波在驱动贴片上传播所产生的额外共振。
表1.不同馈电点的极化结果
表2.拟用天线的几何参数
有限尺寸的超表面。考虑到有限尺寸的超表面为空腔，表面波的共振由以下方程[27]，[28]控制：
式中，beta;sw表示表面波的传播常数，L（此处等于4*(p g)）是超表面波结构的总长度。
通过控制两个SPDT开关的状态，可以切换四个进料探针。如图1（c）所示，四个端口的信号路径分别表示为路径1-4。路径1-3的长度相等，并且ink/4比路径4的长度短，其中int是微带中导波的波长。通过适当地控制两个单刀双掷开关的状态，该天线可以在四种极化模式下工作。例如，当选择探头1和探头3时，天线由于振幅和相位相等，将在远场中发射一个LP波。由于90度相移，选择探头1和4（或探头2和4）可产生CP波。四个探针的所有四种极化状态和对应状态汇总在表一中。
采用全波商用软件（即HFSS模拟器）对所提议的天线进行了模拟和优化，最终设计值如表二所示。为了清楚地看到操作机制，图2和图3分别说明了在超表面上模拟的5.6GHz矢量表面电流分布和四种极化状态下的三维辐射模式。从图2可以清楚地看到，通过选择合适的馈入探头，可以在四种模式之间切换所提议天线的极化。在对角平面上模拟的5.6 GHz归一化辐射模式。
图(2) 模拟了所设计的超表面天线在四种不同时间相位下四种极化模式下的5.6GHz电场和表面电流分布。（a）X-LP模式（b）Y-LP模式（c）LHCP模式（d）RHCP模式
图(3) 四种偏振模式的模拟5.6GHz三维辐射模式
将X-LP模式的(psi;= 45°）与[24]中的相应结果进行比较，如图4所示。可以很容易地证明，对角平面的交叉极化水平显著降低。其他极化态也有类似的结果。提出的超表面天线具有良好的极化重构性能，给出了各种极化模式的全波模拟结果，并与下一节的测量结果进行了比较。
三、模拟和测量结果
为了验证所提出的概念，已制作并测量了设计的原型。图5显示了
图(4) 在X-PL模式的对角平面上模拟5.6 GHz归一化辐射模式。
图（5）实物模型图片
设计的极化可重构超表面天线原型。直径为3 mm的尼龙螺栓和厚度为2 mm的塑料垫圈用于支撑超表层。用安捷伦矢量网络分析仪测量了四种偏振态的反射系数，并在微波室内进行了远场特性的测量。CP状态采用快速旋转法[29]，其中采用快速旋转线性极化喇叭天线作为发射天线。
将四种状态的测量反射系数与图6中相应的模拟结果进行比较。可以看出，由于天线结构的对称性，两种LP（CP）模式的结果几乎相同。对于两个LP模式，测量的10dB回波损耗带宽为5.1-6.22GHz，对于两个CP模式，测量的10dB回波损耗带宽为4.75-6.16GHz。
四种极化状态的测量增益和AR特性如图7所示，其中还包括用于比较的响应模拟结果。对于X-LP、Y-LP、LHCP、RHCP模式，测量的峰值增益分别为9.85dBi、9.87dBi、9.39dBic和9.54dBic，相应的3dB轴比增益带宽分别为5.05-6.35GHz（23.2%）、5.05-6.35GHz（23.2%）、5.05-6.15GHz（19.6%）和5.05-6.15GHz（19.6%）。测量增益比全波模拟增益小0.8-1.5dB。
图(6) 测量和模拟制作天线的反射系数（a）X-LP和Y-LP模式（b）LHCP和RHCP模式
表3.极化可重构超表面天线的测量结果
这种差异是由两个SPDT开关、SMA连接器和铜的附加损耗造成的，而这两个开关在全波模拟中没有考虑。四种偏振模在5.6GHz下测量的辐射效率分别为76.2%、79.4%、68.4%、74.5%，即测量增益与模拟方向性之比。从图7（b）和（c）可以看出，对于LHCP模式，测得的3dB轴比带宽为5.0至6.0GHz（17.8%），对于RHCP模式，测得的3dB带宽为5.0至6.06GHz（18.9%），这与全波模拟结果存在一定的差异。在HFSS软件中，管脚二极管被建模为低电阻（2-Omega;）通态和断态。然而，准确的
图(7) 测量和模拟制作天线的增益和轴比（a）X-LP和Y-LP模式（b）LHCP模式（c）RHCP模式
在宽频带工作时，管脚二极管的等效电路更加复杂。在6.2 GHz时，两个通道的输入阻抗相差较大，导致两个通道的功率不平衡。因此，轴比恶化。表三列出了四种极化状态的测量结果，包括工作带宽、峰值增益和辐射效率，以便更直观地理解。
在两个正交切割平面上测量和模拟的归一化辐射拍特恩在5.2和6 GHz下比较了四种偏振模式，如图所示。8～11。一般情况下，所有极化状态下的测量结果与模拟结果一致。对于两个LP模式，如图所示，E平面和H平面上测量的交叉极化水平均低于-26 dB
图(8) 测量和模拟了X-LP模式下天线阵的归一化辐射方向图（a）5.2GHz下的E面（b）5.2GHz下的H面（c）6GHz下的E面（d）6 GHz下的H面
图(9) 测量和模拟了Y-LP模式下天线阵的归一化辐射方向图（a）5.2GHz下的E面（b）5.2GHz下的H面（c）6GHz下的E面（d）6GHz下的H面
在图8和9中，由图10和11，可以观察到，在宽频带上，在两种CP模式下，该天线具有良好的CP辐射特性。
表4.与先前报道的极化可重构天线的性能比较
图(10) 在LHCP模式下测量和模拟天线阵的归一化辐射方向图（a）5.2GHz下的水平面（b）5.2GHz下的垂直面（c）6GHz水平面（d）6GHz下的垂直面
图(11) 在RHCP模式下测量和模拟天线阵的归一化辐射方向图（a）5.2GHz下的水平面（b）5.2GHz下的垂直面（c）6GHz水平面（d）6GHz下的垂直面
仿真和实测结果表明，该极化可重构超表面天线具有良好的性能，通过控制两个单刀双掷开关的状态，可以实现天线在X-LP、Y-LP、LHCP、RHCP四种极化方式之间的电切换。此外，该天线对于所有极化状态都具有较宽的工作频段。另外，在底层设计了馈电网络和直流偏压电路，对天线的性能影响不大。
最后，对一些最新的极化可重构天线的性能和这项工作进行了总结。对比见表四。与我们之前的工作[24]相比，本文提出的天线仅使用两个单刀双掷开关就具有相同的良好性能。此外，天线的尺寸也大大减小。从表四可以看出，本文所提出的极化可重构超表面天线具有阻抗带宽宽、CP模式的AR带宽宽、足够高的增益和具有四种极化状态的低剖面结构等优点。
四、总结
最后，本文提出并设计了一种具有四极化重构能力的低剖面宽带超表面天线。为了实现四种极化状态，本文介绍了由两个设计的单刀双掷开关连接的四个可切换馈电探头。通过控制两个单刀双掷开关的状态，可以在两个正交LP模式和两个正交CP模式之间切换所提议的超表面天线的工作。制作并测量了四种极化状态下的样品，模拟结果与测量结果基本一致。该天线具有结构简单、四极化可重构、工作带宽宽、增益高、设计制造方便等优点，可用于无线系统中天线极化分集的应用。
致谢
感谢南京东南大学毫米波国家重点实验室的T.Y.Huo和X.Q.Zhao在原型制作和测量方面的帮助。
参考文献
[1]S.Xiao、C.Zheng、M.Li、J.Xiong和B.Z.Wang，《用于低增益Fluc-tuation广角扫描的变容管加载模式可重构阵列，》IEEE Trime.天线Propag.，第63卷，第5期，第2364-2369页，20
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