基于超表面的低轮廓宽带线极化贴片天线:设计与表征

Ashraf Sayed Abdel Halim^*

埃及开罗，加拿大国际学院(CIC)传播系

*通讯作者:: Ashraf Sayed Abdel Halim
工程学院通讯系“，
加拿大国际学院(CIC)开罗，埃及
电子邮件: (电子邮件保护)

收到日期:06/08/2019;接受日期:20/08/2019;发表日期:27/08/2019

摘要

针对5ghz Wi-Fi频段的宽带应用，提出了一种采用元表面的低廓形宽带线性极化贴片天线。天线由一个矩形贴片组成，贴片夹在由3个周期元曲面组成的栅格和接地平面之间。所接受的同轴探头进给制造和匹配简单。利用特征模态分析(CMA)对建议天线的作用机理进行了评价和研究。我们发现两种主要的独特模式被有效激发，导致了宽带过程和线偏振辐射。所设计的介质填充天线的低轮廓为0.057 λ0 (λ0为自由空间5.7 GHz的工作波长)，可获得约30%的计算-10 dB阻抗带宽(4.89-6.62 GHz)，中值为7.28 dBi。在带宽范围内，天线性能为>90%，交叉极化电平<18 dB。

关键字

低轮廓天线，宽带贴片天线，线极化贴片天线

介绍

微带天线以其外形小巧、结构简单、重量轻、制造简单、保证可靠等优点，在无线通信、移动通信、GPS、武装目标、卫星通信等领域得到广泛应用和青睐。但由于微带天线的固有特性，它也存在成果小、效果有限、带宽小等缺点。提高各种微带天线的带宽已经进行了许多研究[1-4]。但是，在保持低调的情况下，实现宽频带是很复杂的。超表面(MTS)作为一种令人鼓舞的解决方案，已被研究用于放大带宽，并引入了几种利用超表面的贴片天线用于低轮廓和宽带过程[5-8]。很多技术都涉及到等效电路[9，10]，有效介质理论[11]，表面阻抗提取[12，13]和模态色散曲线[14，15]来描绘工程超表面。然而，这些技术不适用于研究由少数单元细胞组成的超表面天线。基于矩量法建立的特征模态理论(TCM)可以对天线中发生的辐射现象进行物理判断，是一种有利的天线规划技术。特征模态理论已被很好地用于研究和规划各种天线[16-21]。林等人。[22]，利用特征模理论对微带线贯穿光阑耦合的低廓形宽带超表面天线进行了建模、分析和判断。此外，利用特征模态分析(CMA)抑制多端口天线系统中超表面的高阶模态，以改善辐射行为[23]。

本研究的目的是利用超表面设计一种低廓形宽带微带天线，并利用CMA来检验和解释所建议的天线的作用机制。该天线由夹在超表面和接地面中间的矩形贴片组成。采用同轴探头供体，所述同轴电缆的内部导体连接在所述贴片上，所述外部导体连接在所述接地平面上。测量了考虑电场耦合的综合模态加权系数(MWC)，考察了宽带过程和辐射特性。

材料与方法

多层介质天线的特征模式理论

传统的特征模态理论最初是针对自由空间中的PEC物体演化而来的[24]。与自由空间PEC对象的电场积分方程(EFIE)相比，所建立的特征根方程[[25]。多层介质的空间域梯度函数混合势积分方程能够精确地模拟埋在多层介质中的金属导体的表面电流。混合势积分方程中的地平面和电介质基底假定永远处于横向路径上。考虑到PEC上的框架条件，即PEC表面上电场的切向分量为零，则指定未知电流J和入射场Ei的混合势积分方程可写成[26-29]。

（1）

其中Ga和Gq为空间域，分别为向量和标量势的gf。利用离散复像方法可以得到空间域gf的闭形式项[26-31]。对式(1)中的混合势积分方程进行典型伽辽金运算，后续阻抗矩阵Z的问题可说明如下:

哪里fm (r)是著名的RWG基本函数

已知辐射斑上的三角对。根据PEC对象的常规特征模态理论，混合势积分方程的广义特征值方程可以写成:(2)

其中[R]和[X]分别为矩量法阻抗矩阵Z的实际分量和非真实分量。通过求解(3)可得到特征向量Jn和特征值λn。模态显著性(MS)表示如下:

（3）

奇异模态形成一个完整的解系列，因此整个电流可以表示为这些模态电流的线性叠加

(4)

其中α n表示模态加权系数(MWC)，可由(5)计算

式(5)表示模态激励系数，Ei表示外部激励。利用互性定理，式(6)中的提示符也可以改写为(6)

En表示因模态电流密度Jn而产生的电场，Ji表示耦合器上受影响的电流密度。相反，对于delta-gap电压原点，如果我们使用探针作为耦合器，在馈电位置的馈电探针可以被建模为均匀电流[33]。利用这种解释，将(7)代入(6)，考虑探头进给耦合的模态权重系数(MWC)可表示为:(7)

其中r0表示馈电情况，l表示探头长度。因此，我们可以利用式(8)计算所建议的探针馈电超表面天线的模态权重系数。

天线设计

所建议天线的构造示于图1。天线由3个金属层组成，从上到下分别为超表面、从动贴片和地面。2 F4BM350衬底的厚度(r=3.5, tan δ=0.001)为1.5 mm。为了获得低轮廓和易于制造，2层衬底相互堆叠，没有气隙。50-SMA连接器内部接在接片上，外部导体接在接地面上。所采用的超表面是一个周期结构。

图1:建议天线的构造。

用9块矩形金属板按3 - 3排列。计划使用5-GHz Wi-Fi频段(4.9GHz-5.9 GHz)，天线测量使用全波模拟器HFSS计算。天线的最终测量结果示于表1。

Lp	Wp	年代	h1	h2	PL	PW	低频	Lg	工作组
9.1	7	0.8	1.5	1.5	12	7	5.3	50	50

表1。天线尺寸(毫米)。

方法

天线设计的特征模态分析:采用特征模态分析来解释超表面天线的作用机理。同轴探针供应商被撤回，贴片和超表面的所有其他几何测量保持一致。利用商业仿真软件FEKO中基于矩的特征模态请求方法，利用平面多层衬底在x维和y维上无限扩展地平面和电介质层，实现了特征模态分析过程。利用FEKO中的Green函数可以求解无限平面多层衬底的矩量法。对于这种独特的模式结构，允许电流、远场、相邻场和特征模式的要求。模态显著性(MS)^圣中说明了没有供应商的十种组合模式图2。

engineering-technology-antenna-construction

图2:天线结构的模态意义。

J1-J7的模态电流和辐射分布为图3 (a-g)和4 (g)。

图3:模态电流评估。(a): J1在5 GHz;(b): J2在6.5 GHz;(c): J3 at 6.5GHz;(d): J4在6.5 GHz;(e): J5在6.5 GHz;(f) J6在6.5 GHz;(g): J7在6.5 GHz。

图4:模态辐射排列。(a): J1在5 GHz;(b): J2在6.5 GHz;(c): J3在6.5 GHz (d): J4在6.5 GHz;(e): J5在6.5 GHz;(f): J6在6.5GHz;(g): J7在6.5GHz。

进给点用一个黑圈表示。可以注意到，当不需要的模态场太小时，J1、J7在进给点处的模态e场近似最大图5 (a-g)。对于同轴探头，通过电场耦合馈电可以注意到一个电容耦合元件(CCE)，如果一个电容耦合元件位于其电场峰值的位置，则随机模式被激发为电容性[34，35]， J1和J7将受到最大程度的刺激图6 (a-c)。为计算各模态电流对整个辐射功率的相加，采用式(6)测量考虑电场耦合的模态加权系数(MWC)。

图5:模态电邻接场排列。(a): J1在5GHz;(b): J2在6.5 GHz;(c): J3在6.5 GHz;(d): J4在6.5 GHz;(e): J5在6.5 GHz;(f): J6在6.5 GHz;(g): J7在6.5 GHz。

图6:制造天线的照片。(a):优越视野;(b):中间补丁视图;(c)后视图。

（3）

从所得到的结果可以看出，如图所示图7J1(在下波段)和J7(在上波段)受到很好的刺激，这将有助于宽带程序和线性侧辐射安排。此外，由于进料情况，一些不必要的模式被抑制，这将降低交叉极化水平。

图7:天线结构的模态加权系数。

结果

所制造的天线如图所示图6。在全波模拟器ANSYS HFSS 18.0中对辐射分布进行了模拟，并在不同频率的消声室中进行了计算。仿真和计算结果示于图8良好的接受。

图8:模拟计算结果。(a):退货损失;(b):收入和效力。

此外，它可以从图7和8(一个)和8 (b)回波损失的双模宽带过程与两种主要模式的有效刺激相吻合。计算得到的-10 dB阻抗带宽约为30% (4.89-6.62 GHz)，通过计算得到的峰值收入为6.96 - 8.21 dBi，模拟辐射效率大于90%。归一化辐射排列示于图9 (a)和9 (b)对于5 GHz，图9 (c)和9 (d)6.5 GHz。

图9:辐射的安排。(a): x-z平面为5 GHz;(b): y-z平面5 GHz;(c): x-z平面6.5 GHz;(d): 6.5 GHz为y-z平面。

此外，交叉极化水平低于18 dB跨带宽，因为抑制不必要的模式，如特征模式分析程序所示。文中给出了所提天线与其他几种线性极化超表面天线的相互关系表2。

天线结构	大小(λ₀₃）	-10 dB \|S11\| BW (%)	效率	井眼增益(dBi)
裁判(5) 裁判(11) 裁判(14) 裁判(21) 建议天线	1.1 × 1.1 × 0.061 0.88 × 0.88 × 0.069 1.05 × 1.05 × 0.06 0.72 × 0.72 × 0.075 0.95 × 0.95 × 0.057	25 15 28 20. 30.	> 76% > 70% > 92% > 90% > 90%	> 9.0% > 7.5% > 6.0% > 7.6% > 6.96%

表2。所提天线与新型超表面双层宽带贴片天线行为的相关性。

结论

介绍了一种基于超表面的宽带低轮廓线极化贴片天线用于5ghz WiFi的工作过程，并对其进行了分析验证。所采用的同轴探针供体制造简单，匹配简单。天线结构的CMA较好地解释和描述了涉及宽带过程的作用机理和辐射特性。特征模态分析的过程也可以推广到其他同轴探针馈电的贴片天线。

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