基于单层反射超表面的宽带圆极化高增益天线设计-李唐景.pdf

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1、物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 65, No. 10 (2016) 104101基于单层反射超表面的宽带圆极化高增益天线设计 李唐景y梁建刚李海鹏(空军工程大学防空反导学院,西安710051)(2016年1月7日收到; 2016年2月4日收到修改稿)基于Pancharatnam-Berry相位原理,设计了一种宽带圆极化反射聚焦超表面并将其应用到提高天线增益中.首先提出了一种变形十字超表面单元,在1116 GHz频带范围内能够实现高效同极化转换,并基于该单元构建了宽带反射聚焦超表面.仿真结果表明,垂直入射的右旋圆极化平面波宽带聚焦效果明显.然后利用单向阿基米德螺旋天线对超表面进

2、行照射,其辐射的球面波经超表面反射后得到了近平面波,有效地提高了天线的增益.最终对所设计的天线系统进行加工并测试,结果表明系统的 1 dB增益带宽达到25%(12.516 GHz),在该频带范围内峰值增益均高于19 dBc且轴比小于3 dB.此外,在1215.5 GHz范围内天线口径效率均超过50%.关键词:超表面,宽带,圆极化,高增益PACS: 41.20.Jb, 71.20.b, 29.27.Hj, 42.60.Lh DOI: 10.7498/aps.65.1041011引言2011年哈佛大学Yu等1从费马引理出发推导出了广义折/反射定律,并利用V形型纳米天线阵列构建了相应的相位梯度超表面

3、,实现了奇异折射以及旋光效应,随后关于超表面的研究如雨后春笋般涌现.超表面是人工超材料研究中延伸和拓展出的一类二维平面电磁结构,它遵守广义Snell折/反射定律2,由亚波长单元周期性排列构成,可以在亚波长尺度内迅速改变电磁波的传播相位、幅度、极化等特性,利用它的这些特性能够实现多种新奇的功能.正是由于超表面可以对电磁波的激发和传输进行灵活的控制并且具有低剖面、易加工等优良特性,越来越多的学者对超表面的研究产生了浓厚的兴趣,研究成果被广泛报道,包括极化转换3、波束分离4、波束扫描5、低剖面天线6、隐身衣7, RCS缩减8以及全息成像等9方面.通常实现相位调控的方式有三种.第一种是改变结构尺寸,例

4、如同济大学Wei等10通过改变金属圆环结构尺寸实现了高效透射波束指向调控;复旦大学Li等11通过改变H形单元尺寸实现相位变化,设计了反射聚焦超表面.而单层的尺寸渐变单元带宽很窄,通常利用多层堆叠技术来展宽带宽,这无疑增加了剖面的厚度而且不易加工,成本大大增加.第二种是加载有源器件,例如南京大学Zhu等12通过加载有源器件设计了可调阻抗超表面,实现了对反射波相位360调控;东南大学Cui等13提出了数字超表面,为超表面可编程开辟了新道路,但这种方法给设计增加了难度,不易实现.第三种是Pancharatnam-Berry相位原理14,若单元不旋转,则可以实现圆极化波的同极化转换,例如Li等15利用

5、N形反射型单元设计了宽带圆极化波极化保持超表面.若单元旋转,则可以实现对圆极化波的相位调控,例如空军工程大学李勇峰等16利用旋转单元设计了具有长焦深和宽带的圆极化波反射聚焦超表面;哈尔滨工业大学Ding等17利用单层超薄旋转单元实现了对圆极化波透射相国家自然科学基金(批准号: 61372034)资助的课题.通信作者. E-mail: 2016中国物理学会Chinese Physical Society http:/104101-1物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 65, No. 10 (2016) 104101位的调控,传输效率接近理论计算得到的极限值.这种方法在反射阵天线中

6、也有所应用, Yu等18通过旋转单层裂缝方形环设计了圆极化反射阵天线,但其 1 dB增益带宽仅为2.6%,最大口径效率为53%; Zhong等19通过旋转单层双环开口结构设计了宽带圆极化反射阵天线,其 1 dB增益带宽提高到19.1%,最大口径效率为50%.由此得到启发,可以利用单层的旋转单元构建聚焦超表面,设计宽带的圆极化高增益天线.本文提出了一种单层宽带变形十字超表面单元,在1116 GHz频带范围内,垂直入射的圆极化波可以高效地转换为同极化反射波.利用旋转单元可以对圆极化波相位进行调控的原理,设计了宽带二维反射聚焦超表面,仿真结果表明,在所设计的频带范围内聚焦效果明显.根据光路可逆原理,

7、在焦点处放置一个宽带的平面阿基米德螺旋天线作为馈源,辐射的圆极化球面波经聚焦超表面反射后得到近平面波,很大程度上提高了馈源的增益.由于设计好的超表面在不同频率处对应焦点的位置不同,馈源的位置对于宽带天线系统的性能有直接影响,通过仿真分析得到馈源放置的最佳位置.为了验证设计的正确性,我们加工并测试了所设计的天线系统,测试结果与仿真结果符合较好,表明天线的 1 dB增益带宽达到25%(12.516 GHz),3 dB轴比带宽覆盖了增益带宽.在1215.5 GHz频带范围内系统的口径效率超过了50%,特别是在13 GHz处达到了61%.本文是超表面在提高天线增益中的应用,为宽带高增益圆极化天线的设计

8、提供了具体的思路,有显著的应用前景.2旋转型宽带变形十字单元及聚焦超表面设计2.1单元设计首先,简要推导单元旋转控制电磁波相位的基本原理,即Pancharatnam-Berry相位原理.如图1(a)所示,右旋圆极化波沿负z方向入射到单元表面,入射波为Ei = (x+ jy)ejkz: (1)反射波为(由于单元背板为全金属,反射波幅度可认为不变)Er = (xejx + jyejy)e jkz; (2)其中x与y分别为单元对入射波x和y方向两垂直分量产生的相移.如图1(b)所示,当单元逆时针旋转角度 时, uv坐标系与xy坐标系之间的关系可以表示为80:95, rLR 0:2,实现了高效的同极化

9、转换.当入射角 改变时,单元主极化反射相位曲线如图6所示,可以看出当 45时,反射相位较小的差异是可以接受的,因此可以忽略斜入射的影响.10 11 12 13 14 15 16 17-900-800-700-600-500-400-300-200-1000zPortxyx|x-y|=180O10Oy频率/GHz相位/(O)图4 (网刊彩色) x极化波与y极化波垂直入射条件下反射波的相位Fig. 4. (color online) Reected phase under x-polarized and y-polarized wave illumination.10 11 12 13 14 15

10、 16 1700.20.40.60.81.0频率/GHz反身系数rRRrLR图5右旋圆极化波入射条件下的反射系数Fig. 5. Reection coecient under right-handed cir-cularly polarized wave illumination.10 11 12 13 14 15 16 17-600-500-400-300-200=0O=15O=30O=45O=60O-1000100频率/GHz相位/(O)图6 (网刊彩色)不同入射角时单元主极化反射相位Fig. 6. (color online) Reected phase of co-polarizati

11、onwave under dierent incident angle.104101-3物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 65, No. 10 (2016) 1041012.2聚焦超表面设计在验证了所提出的单元具有在较宽频带范围内实现高效同极化转换的功能后,通过旋转单元可以补偿0, 2 范围内的任意相位.为了使垂直入射的平面波经反射后汇聚于一点,根据相位补偿原理,在xoy平面内各单元的相位分布应满足(x;y) = 2 0(x2 + y2 + f2 f) + 0; (11)其中f是焦距, 0是自由空间波长, 0是原点处单元的初始相位.我们以右旋圆极化波为例,在中心频率13.5 G

12、Hz处,选取焦距为30 mm,设计了一个由15 15个单元组成的聚焦超表面,令原点处单(a)0O100O200O300O400O500O (b)yz x图7 (网刊彩色)聚焦超表面(a)相位分布; (b)单元分布Fig. 7. (color online) Focusing metasurface: (a) Phase distribution; (b) element distribution.yz00.050.1011 GHz 12 GHz13 GHz 14 GHz15 GHz 16 GHz能量强度/VAm-2图8 (网刊彩色)能量分布图Fig. 8. (color online) The

13、 power-ow distribution in yoz plane.104101-4物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 65, No. 10 (2016) 104101元的相对相位为0,根据(11)式计算出各位置处的相位分布如图7(a)所示,与之对应的单元分布如图7(b)所示.在CST仿真设置中,右旋圆极化平面波沿负z方向垂直入射到聚焦超表面,图8为不同频率处yoz面的能量分布图,在1116 GHz频带范围内聚焦效果明显.计算不同频率处z轴上的能量强度,所得结果如图9所示,可以看出随着频率的增加,焦距增大.分析(11)式可知, (x; y)和0保持不变,当频率增加时 0减小,

14、焦距f会随之增大,仿真结果与之相符.0 10 20 30 40 50 60 70 80 9000.020.040.060.080.100.120.140.1611 GHz12 GHz13 GHz14 GHz15 GHz16 GHz能量强度/VAm-2z/mm图9 (网刊彩色) z轴能量强度Fig. 9. (color online) The power intensity on z axis.3宽带聚焦超表面在高增益圆极化天线中的应用3.1宽带高增益圆极化天线设计上一节所设计的聚焦超表面在1116 GHz频带范围内具有理想的聚焦效果,根据光路可逆原理,我们可以在焦点处放置一个宽带的单向平面阿基

15、米德螺旋天线作为馈源,其辐射的球面波经反射后转变为近平面波,这样可以有效提高阿基米德螺旋天线的增益.由于不同频率所对应的焦距不同,馈源的位置将会影响系统的性能,将馈源天线在2535 mm范围内移动进行多次仿真发现,当馈源置于28 mm处时天线系统的整体性能最佳.图10为将馈源置于28 mm处仿真得到的不同频点处天线系统的xoz面近场电场分布图,可以明显地观察到馈源阿基米德螺旋天线辐射出的球面波经聚焦超表面反射后得到了近平面波,波束宽度变窄,有效地提高了增益.其中天线系统在15 GHz处增益达到了20 dBc,其三维辐射方向图如图11所示.0100-100电场/Vm-111 GHz 12 GHz

16、 13 GHz14 GHz 15 GHz 16 GHzzxxyz图10 (网刊彩色)天线系统xoz面近场电场分布图Fig. 10. (color online) Simulated electric eld distri-bution in xoz plane.yxzdB2013.79.996.252.5-0.938-3.75-6.57-9.38-12.2-15图11 (网刊彩色) 15 GHz处三维辐射方向图Fig. 11. (color online) 3D simulated far eld radiationpattern at 15 GHz.3.2加工测试为了验证所设计的宽带高增益圆

17、极化天线,我们加工组装了天线系统并在微波暗室中进行了测量,如图12所示.在1017 GHz频带范围内仿真和测试得到的峰值增益和轴比分别如图13和图14所示,可以得到在1216 GHz频带范围内阿基米德螺旋天线的增益平均提高了12.4 dBc,1 dB增益带宽为25% (12.516 GHz), 3 dB轴比带宽为37% (1116 GHz),在1215.5 GHz频带范围口径效率均超过了50%,特别是在13 GHz处达到了61%.104101-5物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 65, No. 10 (2016) 104101馈源天维聚焦超表面图12实物图Fig. 12. Th

18、e sample of antenna system.10 11 12 13 14 15 16 1746810121416182022增益/dBc频率/GHz天维系统(仿真)天维系统(测试)馈源(测试)馈源(仿真)图13 (网刊彩色)天线系统与馈源天线增益Fig. 13. (color online) Realized gain of antenna systemand feed antenna.10 11 12 13 14 15 16 17012345678910轴比/dB频率/GHz仿真测试图14 (网刊彩色)天线系统仿真与测试轴比Fig. 14. (color online) Axial

19、 ratio of antenna system.4结论本文提出了一种对于圆极化波高效同极化转换的宽带反射超表面单元,根据相位补偿原理构建了聚焦效果理想的单层平面二维聚焦超表面,并结合单向馈源阿基米德螺旋天线构成了焦径比为0.4的宽带高增益圆极化天线.仿真和测试结果一致,表明天线系统的 1 dB增益带宽为25%, 3 dB轴比带宽为37%,在13 GHz处口径效率达到了61%.本文为宽带高增益圆极化天线的设计提供了新的思路,具有显著的应用价值.参考文献1 Yu N F, Genevet P, Kats M A, Aieta F, Tetienne J P,Capasso F, Gaburro

20、Z 2011 Science 334 3332 Sun Y Y, Han L, Shi X Y, Wang Z N, Liu D H 2013Acta Phys. Sin. 62 104201 (in Chinese) 孙彦彦,韩璐,史晓玉,王兆娜,刘大禾2013物理学报62 1042013 Yu N F, Aieta F, Genevet P, Kats M, Gaburro Z, Ca-passp F 2012 Nano Lett. 12 63284 Lee J H, Yoon J W, Jung J, Hong J K, Song S H, Mag-nusson R 2014 Appl.

21、 Phys. Lett. 104 2335055 Cheng J, Mosallaei H 2014 Opt. Lett. 39 27196 Cai T, Wang G M, Zhang X F, Shi J P 2015 IEEE An-tennas Wirel. Propag. Lett. 14 10727 Chen P Y, Argyropoulos C, Al A 2013 Phys. Rev. Lett.111 2330018 Yan X, Liang L J, Zhang Y T, Ding X, Yao J Q 2015Acta Phys. Sin. 64 158101 (in

22、Chinese) 闫昕,梁兰菊,张雅婷,丁欣,姚建铨2015物理学报64 1581019 Kuznetsov S A, Astafev M A, Beruete M, Ca M N 2015Sci. Rep. 5 773810 Wei Z Y, Cao Y, Su X P, Gong Z J, Long Y, Li H Q2013 Opt. Express 21 01073911 Li X, Xiao S Y, Cai B G, He Q, Cui T J, Zhou L 2012Opt. Lett. 37 494012 Zhu B O, Zhao J M, Feng Y J 2013 Sci

23、. Rep. 3 305913 Cui T J, Qi M Q, Wan X, Zhao J, Cheng Q 2014 LightSci. Appl. 3 e21814 Erez H, Vladimir K, Gabriel B, Avi N 2003 Appl. Phys.Lett. 82 32815 Li Y F, Zhang J Q, Qu S B, Wang J F, Zheng L, ZhouH, Xu Z, Zhang A X 2015 Chin. Phys. B 24 01420216 Li Y F, Zhang J Q, Qu S B, Wang J F, Wu X, Xu

24、Z,Zhang A X 2015 Acta Phys. Sin. 64 124102 (in Chinese)李勇峰,张介秋,屈少波,王甲富,吴翔,徐卓,张安学2015物理学报64 124102104101-6物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 65, No. 10 (2016) 10410117 Ding X M, Monticone F, Zhang K, Zhang L, Gao D L,Burokur S N, Lustrac A, Wu Q, Qiu C W, Al A 2015Adv. Mater. 27 119518 Yu A, Yang F, Elsherbeni

25、 A Z, Huang J, Kim Y 2012IEEE Trans. Antennas Propag. 60 161919 Zhong X J, Chen L, Shi Y, Shi X W 2015 Electromag-netics 35 217Broadband circularly polarized high-gain antenna designbased on single-layer reecting metasurface Li Tang-Jingy Liang Jian-Gang Li Hai-Peng(Air and Missile Defense College,

26、Air Force Engineering University, Xian 710051, China)( Received 7 January 2016; revised manuscript received 4 February 2016 )AbstractAccording to the Pancharatnam-Berry phase principle, a single-layer reecting element is proposed for steering thephase of the electromagnetic wave. The structure of th

27、e element is composed of metabolic cross wire and copper groundsheet, which are separated by an FR4 dielectric substrate with a thickness of 3 mm. When the incident wave is circularlypolarized, dierent rotary angles of the element are used to achieve the co-polarization reection with high eciency in

28、a broadband of 1116 GHz. In the design of the focusing metasurface, the phase compensation for forming a constantaperture phase is provided by the individual reected element with a dierent rotated angle. Remarkably, the size ofthe element is only 5 mm (0.23 0), and then it can be more accurate to co

29、ntrol the phase of the array. The focusingmetasurface is composed of 15 15 elements with a focal length of 30 mm at 13.5 GHz. The designed sample is simulatedin CST Microwave Studio. The results show that the incident circularly polarized plane wave is well transformed intoa spherical wave in the ba

30、nd from 11 to 16 GHz, and the focal length is around 30 mm. For further application, aunidirectional Archimedean spiral antenna is located at the focal point of the metasurface. According to the reversibilityprinciple of electromagnetic wave propagation, the spherical wave radiated by the feed anten

31、na is converted into a planewave by the reecting metasurface, so that the antenna gain is remarkably enhanced. Through adjusting the distancebetween the feed antenna and the focusing metasurface, we nd that 28 mm is the best distance. Finally, the feedantenna and the metasurface are fabricated, asse

32、mbled and measured. Numerical and experimental results are in goodagreement with each other, showing that the 1 dB gain bandwidth of the high-gain antenna is 12.516 GHz, and inthis band the peak gains are all over 19 dBc and the axial ratio is better than 3 dB. In addition, the aperture ecienciesare

33、 more than 50% in the band from 12 to 15.5 GHz, especially the eciency at 13 GHz reaches a highest value of 61%.The good performances indicate that the proposed high-gain antenna has a highly promising application in portablecommunication systems.Keywords: metasurface, broadband, circularly polarize

34、d, high-gainPACS: 41.20.Jb, 71.20.b, 29.27.Hj, 42.60.Lh DOI: 10.7498/aps.65.104101* Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 61372034). Corresponding author. E-mail: 104101-7基于自发辐射相干实现光学前驱动场巴诺王磊王海华李东飞王丹严立云Optical precursors via spontaneously generated coherenc

35、eBa Nuo Wang Lei Wang Hai-Hua Li Dong-Fei Wang Dan Yan Li-Yun引用信息Citation: Acta Physica Sinica , 65, 104201 (2016) DOI: 10.7498/aps.65.104201在线阅读View online: http:/dx.doi.org/10.7498/aps.65.104201当期内容View table of contents: http:/ you may be interested in金属目标原子晶格结构对其量子雷达散射截面的影响Impact of metal target

36、s atom lattice structure on its quantum radar cross-section物理学报.2015, 64(15): 154203 http:/dx.doi.org/10.7498/aps.64.154203相干布居数拍频信号与基态超精细子能级相干性关系的研究Study on the relationship between coherent population beating signal and the coherence of ground-statehyperfine sublevels物理学报.2015, 64(13): 134203 http

37、:/dx.doi.org/10.7498/aps.64.134203微波场作用下三能级原子系统的无反转光放大Amplification without population inversion in tree-level system driven by an additional microwave field物理学报.2015, 64(6): 064205 http:/dx.doi.org/10.7498/aps.64.064205芯片原子钟相干布居囚禁谱线特性研究Study on characteristics of coherent population trapping spectral line for chip-scale atomic clock物理学报.2015, 64(3): 034207 http:/dx.doi.org/10.7498/aps.64.034207Rb 87冷原子电磁感应透明吸收曲线不对称性的分析Analysis on the absorption curve asymmetry of electromagnetically induced transparency in Rb 87 coldatoms物理学报.2015, 64(3): 034206 http:/dx.doi.org/10.7498/aps.64.034206