刘 琦， 金钢跃， 王 晶
（杭州电子科技大学电子信息学院，杭州 310018）
缝隙天线是贴片天线中一种常见类型，有着低剖面、易设计、易集成、易组阵、易共形等诸多优点。近年来，随着物联网产业的发展，缝隙天线常被用于传感器及可穿戴器件系统设计中［1］。缝隙天线在系统集成中面临的一个重要问题就是环境敏感性［2］，缝隙天线的工作频率通常会随着其安装环境的变化发生明显偏移，导致缝隙天线的安装条件和使用环境受限，需要针对不同的应用针对性地进行天线设计，导致缝隙天线在不同系统中的集成难以量化和标准化的设计和生产。一个环境稳定性高的缝隙天线可有效提高其在不同系统中的兼容性，可增加天线的量化设计和生产水平，降低传感器及可穿戴器件的成本。
为解决上述问题，以往的工作中常采用多波段／宽带天线［3-4］和多层结构［5-6］来替代单层缝隙天线，采用厚衬底、多层结构或额外的间隔层来增加高度，以避免安装环境对天线性能的影响。超表面结构，包括电磁带隙（Electromagnetic band gap，EBG）、人工磁性导体（Artificial magnetic conductor，AMC）、频率选择表面（frequency selective surface，FSS）、高阻抗表面（High impedance surface，HIS）等［7］，作为一种新型人工电磁结构，可提供良好的带隙特性，为解决上述问题提供了新思路。通过在缝隙天线下方加载超表面结构，可有效抑制表面波传播并同相反射入射到超表面的电磁波，可大幅度提高缝隙天线在不同环境下的性能稳定性，有效提升缝隙天线系统的兼容性，扩展缝隙天线的量化设计和生产。
本文设计了一种超高频超表面结构，通过采用色Ansoft HFSS中的周期性结构仿真［8］对该超表面元胞进行分析，展示该结构在超高频段的反射特性；
通过对超表面和缝隙天线进行联合仿真，计算分析缝隙天线在不同环境下的频率偏移。该超表面结构的设计过程将引导学生深入学习和理解超表面的原理、仿真及应用方法［9］，熟悉超表面综合设计分析应用的全流程，提高学生针对相关复杂工程问题的设计、分析及应用能力［10］。
锯齿型超表面结构由2 ×2 单元阵列组成，如图1所示。
图1 超表面结构示意
图中黄色为金属铜，橙色为金属过孔，灰色为基板。基板采用相对介电常数εr＝9.8、厚度h ＝1.5 mm的Al2O3陶瓷。每个单元的俯视顶面都是有着锯齿型边缘的贴片结构，底面为金属地，顶面与底面通过中央金属过孔连接，金属过孔半径r ＝1 mm。相邻单元通过锯齿边缘相互拼合，单元之间的间隙c 固定为0.2 mm。
超表面结构（侧视图）可简化为图2 中形式，根据该简化模型可得到超表面简化等效电路模型［11］。
图2 超表面结构简化模型和等效电路简化模型
电路中的电容C 为贴片之间的边缘电容和平行金属地板电容的组合，电感L由贴片、过孔和金属地结构产生，电阻R 是结构单元的等效电阻。根据该电路模型，该超表面结构由RLC 电路组成，其谐振频率与电容C和电感L 负相关。在超表面结构的谐振频率附近它能够有效抑制表面波的传播，并且同相反射相位带隙频率范围内的电磁波。
为便于对超表面结构进行仿真分析，将该超表面结构进行4 等分，其中的单个元胞（图1 中红色虚线框内）结构如图3 所示，元胞的具体尺寸参数如下：w ＝7.5 mm，l ＝45 mm，c ＝0.2 mm，h ＝1.5 mm，r ＝1 mm。
图3 超表面元胞结构示意
Ansoft HFSS软件可以利用Floquet端口及主从边界条件（Master and Slave Boundary Condition）对二维周期性结构的单个元胞进行建模计算［12］，结合参数扫描功能改变入射波波矢方向，求解不同入射角度下该超表面结构的反射特性。
仿真元胞模型如图3 所示，该模型的建立和分析需要经历以下步骤。
步骤1初始化元胞模型。根据图3 中的尺寸对元胞进行建模。元胞外需要定义空气盒模拟无限大自由空间，空气盒的长宽与元胞保持一致，空气盒的底面与元胞的金属底面重合，空气盒的顶面和元胞顶面之间的距离大于1／4 波长，如图4 所示。
步骤2周期性边界设置。主从边界条件在仿真软件Ansoft HFSS中用于模拟平面周期结构。主从边界条件包括主边界和从边界，二者成对出现且形状、大小和方向一致，此外还需要使用UV 相对坐标系来设置主、从边界的方向，保证主从边界表面方向的一致性。主、从边界的表面电场存在一定的相位差，即周期性结构中相邻元胞之间的相位差；
该相位差可通过主、从边界设置直接指定，也可通过入射波的扫描角间接指定［13］。
由图1可见，超表面结构是由元胞在X、Y方向扩展所得，需在X、Y方向分别设置主从边界。X 方向上的主从边界设置如图4 所示：选中空气盒的＋X 端面上建立主边界MX，设置MX的UV坐标系矢量分别为选中面的两边方向；
选中空气盒的-X 端面建立从边界SX，指定其主边界为MX，设置SX 的UV 坐标系矢量与MX 中方向一致；
主从边界之间的相位差由入射波的极化角φ和斜入射角θ来定义，分别命名为变量Phi＿scan和Theta＿scan。Y 方向上的主从边界MY 和SY分别设置在＋Y和－Y端面，设置方法同上。
图4 超表面结构单元仿真边界及馈电模型
步骤3Floquet 端口设置。Floquet 端口基于Floquet模式对二维平面周期性结构进行场求解。使用Floquet端口设置激励并结合周期性边界，能像传统波导端口激励一样轻松地分析周期性结构的电磁特性，避免复杂的后处理过程［14］。Floquet 端口允许用户指定端口处入射波的斜入射角和极化方式，端口中电磁波的极化方式将自动与主从边界的设置相对应［12］。
Floquent端口的设置需要选中空气盒的顶面，指定其激励方式为Floquet端口；
定义端口坐标系的a、b矢量方向分别为端口两边方向，如图4 所示；
缝隙天线的辐射电场方向垂直于超表面，定义Floquet端口模式为单TE模式激励；
在Floquet端口的后处理选项里利用Deembed 功能调整参考面至元胞表面，以得到更准确的基于参考面的相位结果［12］。
步骤4参数扫描设置。主从边界及Floquet 端口设置完成后，可通过扫描入射电磁波的入射角以分析从正入射到斜入射的反射特性。入射角和主从边界的相位差可互相换算，在优化器（Optimetrics）中添加参数扫描，扫描参数指定为Theta＿scan，扫描方式为线性步进，扫描范围为115 ～180°（对应入射角度0 ～75°），步长15°。
步骤5仿真结果分析。采用周期性单元结构仿真所得的超表面结构的反射特性如图5、6 所示，其中图5 展示了不同入射角下超表面结构的功率反射系数（S11）的幅度，图6 则展示了反射相位。由图5 可见，该超表面的正入射（入射角为0°）反射系数幅度在－1 dB以内，斜入射反射系数幅度随着入射角的增大而降低，但始终保持在－3 dB 以内，表现出了良好的低损特性。通常反射相位在±90°之间［15］被视作为同相反射区间，由图6 可见，超表面结构的正入射同相反射频带为900 ～920 MHz，斜入射同相反射频带较正入射频带稍窄，但是仍集中在900 ～920 MHz范围内，并且反射相位零点频率始终保持在915 ～920 MHz，频率变化很小，表现出良好的同相反射频率稳定性。
图5 单元仿真计算所得功率反射系数幅度
图6 单元仿真计算所得功率反射系数相位
缝隙天线的结构设计和参数如图7 所示，馈电点位于缝隙中间位置，采用RFID 芯片馈电，天线输入阻抗共轭匹配搭配到芯片复阻抗（11-j143）Ω；
为减小天线尺寸，将普通长条形缝隙扩展为H型缝隙。
采用共面设计，缝隙天线剖面低且便于集成，但存在环境敏感、性能不稳定的问题，如图8 所示。当图7中的H型缝隙天线安装在不同材质的平台表面时，天线的中心频率发生了明显的偏移：当该天线置于空气（相对介电常数εr＝1）中时，其中心频率为920 MHz；
天线安装在塑料（εr＝3.2）台面上时，中心频率偏移到850 MHz；
安装在石制（εr＝6.5）台面上时，中心频率偏移到790 MHz；
安装在陶瓷（εr＝9.8）台面上时，中心频率偏移到740 MHz。缝隙天线的中心频率随着安装平台介电常数的增加而大幅度降低。
图7 缝隙天线结构示意
图8 不同环境下缝隙天线的功率反射系数仿真
缝隙天线的环境敏感性极大地限制了其在传感器及可穿戴器件系统中的应用。由于传感器或可穿戴器件的安装环境不固定，在不同环境下天线的性能相差很大，这将导致传感器或可穿戴设备在不同环境下性能急剧变化。
在超表面元胞和缝隙天线独立仿真的基础上，进一步通过超表面和天线的联合仿真分析超表面结构对提升缝隙天线环境稳定性的作用。联合仿真模型如图9所示，H形缝隙天线直接放置于超表面结构中央，将超表面结构直接安装在平台表面，之间无额外隔层，从天线顶面到安装平台的距离为3 mm，剖面低利于集成。
图9 超表面结构和缝隙天线的联合仿真模型
联合仿真的功率反射系数如图10 所示，当缝隙天线加载超表面结构后安装在不同材质平台表面时，其频率偏移控制在5 MHz内，与图8 相比表现出了优秀的频率稳定性。该结果表明，超高频锯齿型超表面结构在900 ～920 MHz 具有稳定的同相反射特性，可为缝隙天线提供理想的环境稳定性，有助于提升缝隙天线在不同系统中的兼容性，扩展缝隙天线的应用范围，增加缝隙天线的量化设计生产水平，降低传感器及可穿戴器件的成本。
图10 不同环境下联合仿真功率反射系数
本文设计了一种可提高缝隙天线的环境稳定性的超高频锯齿型超表面结构。通过对超表面元胞进行周期性单元结构仿真，展示了该超表面结构带隙内的良好同相反射特性；
通过对缝隙天线进行不同环境的仿真，展示了缝隙天线在环境稳定性方面所面临的困境；
通过超表面结构和缝隙天线的联合仿真，表明了所设计的超表面结构能够有效地在900 ～920 MHz带隙内实现良好的同相反射，保持缝隙天线在该频带内的环境稳定性，提高缝隙天线的平台兼容性。该超表面结构的设计、仿真和分析过程中涵盖了超表面的原理分析、设计、仿真、应用的全流程，有助于培养学生运用仿真手段设计和分析超表面结构，提高学生针对复杂工程问题的设计、分析及应用能力。
扩展阅读文章
推荐阅读文章
老骥秘书网 https://www.round-online.com
Copyright © 2002-2018 . 老骥秘书网 版权所有