基于特征角补偿的低剖面圆极化超表面天线设计与实现

《IEEE Open Journal of Antennas and Propagation》：Low-Profile Circularly Polarized Metasurface Antenna Based on Characteristic Angle Compensation

本文针对5G室内应用中低剖面圆极化天线设计的挑战，提出了一种基于特征角补偿的新型模态调控方法。研究人员通过调节超表面贴片宽长比和控制特征模式角，结合简易馈电网络，实现了三个轴比零点，有效扩展了3-dB轴比带宽。实测结果表明，该天线在0.03λ0的低剖面下可实现42.3%的阻抗带宽和32%的轴比带宽，为室内通信系统提供了高性能天线解决方案。

　　

随着第五代移动通信技术（5G）的快速发展，室内无线通信系统对天线性能提出了更高要求。圆极化天线因其能够有效抑制法拉第旋转效应和多径效应引起的信号失真，成为卫星通信和室内覆盖的理想选择。然而，传统圆极化天线设计面临两大难题：一是复杂的馈电网络会导致结构臃肿，二是低剖面要求下难以实现宽轴比带宽。这些矛盾使得开发兼具低剖面、宽带宽和高性能的圆极化天线成为行业亟需突破的技术瓶颈。

在传统设计中，要实现圆极化辐射通常需要两个正交电场具有90°相位差和相等幅度。虽然采用顺序旋转馈电技术可以扩展轴比带宽，但往往以增加天线剖面高度为代价。而基于特征模式分析的方法通过调控 degenerate modes（简并模式）虽然能够降低设计复杂度，但特征角的显著差异会导致相位曲线失真，制约了轴比带宽的进一步扩展。

针对这一难题，华南理工大学的研究团队在《IEEE Open Journal of Antennas and Propagation》上发表了一项创新研究，提出了一种基于特征角补偿的低剖面圆极化超表面天线设计方法。该方法巧妙平衡了馈电网络复杂度和特征模式控制难度，通过新颖的模态调控机制在保持低剖面的同时实现了宽轴比带宽。

研究人员采用了几项关键技术方法：首先设计了由三个T形功分器和90°微带相位延迟线组成的简易馈电网络，通过特征模式分析确定了超表面贴片的最佳宽长比；其次利用耦合槽模式与超表面模式的协同工作，通过控制特征角差实现了相位误差补偿；最后通过全波优化调整了四个特征模式的谐振特性，确保三个轴比零点在目标频带内均匀分布。

工作机理

研究团队建立了特征角补偿的理论框架。如图1所示，CM1/2和CM3/4分别代表谐振在低频f₁和高频f₂的两对简并模式。理想的馈电网络能在工作频带内提供恒定的90°相位偏移，但实际微带线相位延迟会随频率变化而产生额外相位偏移。团队提出通过精确配置两对简并模式的特征角相位偏移，在f_ARZ1、f_ARZ2和f_ARZ3三个频率点分别实现90°特征角相位差，从而产生三个轴比零点。

图2直观展示了理想馈电网络与实际馈电网络对轴比性能的影响差异。实际网络中，频率偏移会导致相位误差，而特征角补偿技术正是通过调控模式谐振特性来抵消这种误差。

特征模式分析与天线设计

天线结构采用4×4超表面辐射体，安装在两层F4B介质基板上。通过特征模式分析发现，J_3/4模式在3.8 GHz附近产生简并，通过适当激励可产生圆极化辐射。研究团队将三个轴比零点均匀分布在3.3-4.5 GHz目标频带内，通过调节贴片宽度w_x和w_y来控制特征角。

图4展示了天线的整体结构，其低剖面特性（0.03λ₀）显著优于传统设计。馈电网络采用微带相位延迟线，在3.6 GHz处提供精确的90°相位差，在4.2 GHz和3.9 GHz处分别产生9.33°和16.94°的额外相位差。

图5详细展示了超表面和馈电网络的几何参数。通过优化设计，团队最终确定了关键尺寸：w_x=15.3 mm，w_y=17 mm，l_s=19.5 mm，l_PS=7.7 mm。

图6的特征角曲线和模态电流分布验证了设计方法的有效性。J_3/4模式在3.8 GHz附近呈现良好的简并特性，为圆极化辐射奠定了基础。

图8进一步展示了贴片尺寸对特征角的影响规律，为模态调控提供了理论依据。

测量结果与讨论

实测结果表明，天线-10 dB阻抗匹配带宽达到3.08-4.73 GHz（42.3%），3-dB轴比带宽覆盖3.3-4.5 GHz（32%），与仿真结果高度吻合。在轴比带宽范围内，天线增益达到6.9-10.3 dBic。

图11的测试数据清晰展示了天线的阻抗特性和增益性能。四个反射系数凹点与轴比零点之间的对应关系验证了特征角补偿机制的正确性。

图12的辐射方向图测试结果显示了良好的圆极化特性，实测与仿真结果的一致性进一步验证了设计方法的可靠性。

性能比较

与同类工作相比，该天线在剖面高度（0.04λ_min）和轴比带宽-剖面比（1057.5）方面均表现出显著优势。这种高性能源于对四个特征模式特征角的精确配置，通过特征角补偿技术有效扩展了工作带宽。

结论

本研究提出的基于特征角补偿的圆极化天线设计方法，成功解决了低剖面要求下轴比带宽受限的技术难题。通过特征模式分析指导下的模态调控，结合简易馈电网络，实现了三个轴比零点的产生和宽频带圆极化辐射。实测验证了32%的轴比带宽和0.03λ₀的低剖面特性，为5G室内通信应用提供了高性能天线解决方案。该方法通过降低对特征角差的要求（从传统90°降至较小角度），显著简化了模式控制难度，为低剖面圆极化天线设计提供了新思路。