姚大悅， 何沛航， 張浩馳*， 范 軼， 崔鐵軍*

(1.東南大學(xué)毫米波國家重點實驗室，南京，210096； 2.東南大學(xué)電磁空間科學(xué)與技術(shù)研究院，南京，210096; 3.東南大學(xué)微電子學(xué)院，南京，210096)

近年來，隨著信息科學(xué)的不斷發(fā)展，無線傳輸設(shè)備在導(dǎo)航、電子對抗、雷達(dá)、遙控、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及移動通信等領(lǐng)域被大規(guī)模使用[1-3]。而天線作為無線傳輸設(shè)備中不可或缺的部分，承擔(dān)著輻射和接收電磁波的功能，被學(xué)術(shù)界和工程界廣泛關(guān)注與研究[3-6]。但是，由于傳統(tǒng)天線存在著尺寸和增益相互制約、高性能輻射與低雷達(dá)散射截面(radar cross section, RCS)的固有矛盾、以及寬帶廣角的波束可重構(gòu)困難等問題，已成為制約以上應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵因素。

表面等離激元(SPPs)是一種存在于光波頻段的特殊表面電磁波模式，可將電磁能量強(qiáng)束縛于金屬-介質(zhì)分界面的亞波長范圍內(nèi)，其沿著分界面切線方向傳播，而在法線方向呈指數(shù)衰減[7-8]。然而，電子在金屬中運動所造成的固有傳播損耗限制了表面等離激元器件和系統(tǒng)的發(fā)展。雖然降低頻率可有效解決損耗問題，但由于金屬在微波和太赫茲頻段呈現(xiàn)的完美導(dǎo)體特性，表面等離激元模式無法存在于微波及太赫茲頻段。

為了解決這一問題，學(xué)者們提出在低頻下用狹縫、孔或塊的一維或二維陣列的金屬結(jié)構(gòu)，模擬表面等離激元模式的想法[9]。這種人工設(shè)計的周期性金屬結(jié)構(gòu)被稱為人工表面等離激元(SSPP)結(jié)構(gòu)，是表面等離激元在微波頻段應(yīng)用的延伸和拓展。利用人工設(shè)計排列的周期性金屬結(jié)構(gòu)單元，可在微波頻段模擬金屬的等離子體特性[10-12]，產(chǎn)生類似于光波頻段的表面等離激元電磁波模式，并且可以通過調(diào)節(jié)金屬結(jié)構(gòu)尺寸實現(xiàn)對電磁波的調(diào)控。

由于獨特的強(qiáng)場束縛、低損耗、可調(diào)控、小型化、易集成等優(yōu)點，人工表面等離激元模式可被廣泛應(yīng)用于微波集成電路、隱身材料、天線等領(lǐng)域[13-23]。例如，人工表面等離激元模式的低損耗特性可用于實現(xiàn)各種高品質(zhì)因子的亞波長器件[24]，如長距波導(dǎo)、低串?dāng)_互連[25]、和高靈敏度探測器[26]等。與相同空間尺寸的傳統(tǒng)微帶器件比較，新型的基于人工表面等離激元的無源和有源器件，如天線[27-38]、濾波器[39-40]、功率分配器[41]、放大器[42]、可調(diào)諧器件和可編程器件[43]等，具有許多如抑制相鄰耦合[44]、減小介質(zhì)損耗[45]和減小屏蔽盒體積[46-47]等卓越特性。

本文討論了基于人工表面等離激元的天線賦能技術(shù)。針對現(xiàn)有天線存在的尺寸對材料屬性過度依賴、低RCS天線輻射性能低、以及波束可重構(gòu)方式少和范圍小等瓶頸問題，著重討論了基于人工表面等離激元的天線賦能技術(shù)，包括基于人工表面等離激元的天線小型化技術(shù)、RCS抑制技術(shù)、以及波束重構(gòu)技術(shù)，為新型天線的研究提供新的思路和選擇。

1 基于人工表面等離激元的天線小型化技術(shù)

隨著無線便攜設(shè)備的發(fā)展，小型化天線受到越來越多學(xué)者的關(guān)注。實現(xiàn)小型化天線最直接的方法包括使用高介電常數(shù)的基板[48],但此類基板往往價格較為昂貴且具有信號完整性等方面的劣勢。此外還可利用電容貼片或短路引腳實現(xiàn)天線小型化設(shè)計[49-50]。文獻(xiàn)[51]中采用彎曲槽方式，降低了天線諧振頻率，減小了天線尺寸。就上述方法來說，天線尺寸和增益之間的相互制約關(guān)系以及小型化天線帶來的窄帶寬問題都限制了小型化高性能天線的發(fā)展。而利用人工表面等離激元模式的慢波特性與高相位常數(shù)，基于人工表面等離激元的天線可在保持良好的輻射特性的同時減小尺寸，可在常規(guī)介電常數(shù)基板上實現(xiàn)天線的小型化。

由于人工表面等離激元模式具有良好的慢波傳輸特性，文獻(xiàn)[52]提出了一種利用人工表面等離激元結(jié)構(gòu)減小非輻射邊長度的方法來減小物理面積，從而實現(xiàn)小型化天線的設(shè)計，天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。該天線在9 GHz下的有效尺寸為0.16λ0×0.16λ0×0.04λ0，遠(yuǎn)小于同性能下傳統(tǒng)天線，而且實現(xiàn)了良好的輻射特性，具有低輪廓、緊湊設(shè)計和寬輻射角等特點，可用于未來無線通信系統(tǒng)。

圖1 天線對比圖

文獻(xiàn)[53]利用人工表面等離激元的慢波特性，提出一種具有普通介電常數(shù)小型圓極化天線的設(shè)計，天線結(jié)構(gòu)如圖2所示，相比于傳統(tǒng)的方形結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不僅可以減小尺寸，而且可以使TM10和TM01模式之間產(chǎn)生電磁耦合，實現(xiàn)良好的圓極化特性。輻射貼片的整體尺寸為0.17λ0×0.17λ0，面積約為常規(guī)貼片(0.5λ0×0.5λ0)的1/10。此外，該方法與現(xiàn)有天線設(shè)計相兼容，可促進(jìn)圓極化天線的小型化發(fā)展。

圖2 小型圓極化天線

準(zhǔn)八木天線具有結(jié)構(gòu)簡單、方向性強(qiáng)、易于實現(xiàn)高增益等優(yōu)點，但是也存在增益和結(jié)構(gòu)尺寸之間的相互制約關(guān)系。文獻(xiàn)[54]探索了一種新的準(zhǔn)八木天線設(shè)計，天線結(jié)構(gòu)如圖3所示。天線主要由饋電結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)八木結(jié)構(gòu)組成。其中，人工表面等離激元饋電結(jié)構(gòu)由過渡結(jié)構(gòu)和人工表面等離激元巴倫組成。準(zhǔn)八木結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)長度分別減少了32%和27%，整體天線的尺寸為0.43λ0×λ0×0.0157λ0。

圖3 天線的原理圖

微帶網(wǎng)格陣列天線以其高增益、寬帶寬、易于配置等優(yōu)點備受關(guān)注。文獻(xiàn)[55]提出一種基于人工表面等離激元的微帶網(wǎng)格陣列天線，和傳統(tǒng)天線結(jié)構(gòu)的對比如圖4所示。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示，長邊作為傳輸線，長度為λg，短邊作為傳輸線和輻射元件，長度為λg/2?；谌斯け砻娴入x激元的天線結(jié)構(gòu)如圖4(b)所示，在保持良好輻射性能的同時，用人工表面等離激元結(jié)構(gòu)代替長邊微帶線，該天線的有效尺寸為1.08λ0×2.07λ0×0.07λ0，與傳統(tǒng)天線相比減小了36.3%。此外，該天線的10 dB阻抗帶寬為12.5%，比傳統(tǒng)天線(2.4%)性能優(yōu)越，體現(xiàn)了其在毫米波無線系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力。

圖4 微帶網(wǎng)格陣列天線對比圖

可見，利用人工表面等離激元具有慢波特性與高相位常數(shù)，可以解決傳統(tǒng)小型化天線過度依賴高介電常數(shù)材料的問題，在常規(guī)介質(zhì)基板上實現(xiàn)具有寬帶高輻射特性的小型化天線，在無線通訊系統(tǒng)中有巨大的應(yīng)用前景。

2 基于人工表面等離激元的RCS抑制技術(shù)

雷達(dá)散射截面(RCS)是目標(biāo)在雷達(dá)接收方向上反射雷達(dá)信號能力的度量。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭雷達(dá)攻防博弈的不斷發(fā)展，在不影響天線輻射性能的前提下減小天線的RCS越來越受到人們的關(guān)注。降低天線RCS的方法主要有以下4種：

1)在天線的接地面放置特殊吸收器或者亞波長散射陣列[56]，用以產(chǎn)生強(qiáng)吸收，改變散射波的主瓣方向或極化狀態(tài)。但是這種方法僅適用于接地面積大的天線。

2)將部分反射面放置在天線上方，可吸收入射波或改變散射波的極化，從而降低天線的RCS[57]。但這種天線只能作為發(fā)射天線使用，且?guī)挭M窄。

3)改變輻射源和接地面的形狀，例如采用分形結(jié)構(gòu)[58]或幾何成形方法[59]，通過去除表面電流較小的金屬區(qū)域，降低金屬部分的使用率，改變散射場，從而降低RCS。但是這種缺陷結(jié)構(gòu)可能會影響天線與下層電路的隔離。

4)通過添加電阻或鐵氧體磁性材料[60]可降低天線的RCS。但是此類損耗材料的引入會明顯降低天線的效率。

當(dāng)天線輻射器具有低帶內(nèi)損耗和高的帶外吸收特性時，可作為帶外吸收器使用。但如果工作頻帶和RCS減小頻帶非常接近，則要求材料處于吸收特性時候是強(qiáng)色散的。傳統(tǒng)的雷達(dá)吸波材料雖然是色散的，但當(dāng)天線的工作頻帶接近于吸波材料時，會在頻帶內(nèi)產(chǎn)生大吸收特性[61]。人工表面等離激元的色散曲線位于光線下方，具有豐富的色散特性，存在線性的弱色散區(qū)，非線性的強(qiáng)色散區(qū)，可用于低RCS天線設(shè)計。

文獻(xiàn)[61]提出了基于人工表面等離激元模式色散特性的低RCS天線，天線結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示。天線由饋電單極子和垂直放置在金屬地上的人工表面等離激元導(dǎo)向結(jié)構(gòu)組成。通過設(shè)計可以使人工表面等離激元模式的截止頻率接近饋電單極子的工作頻率上限，從而使人工表面等離激元結(jié)構(gòu)同時充當(dāng)帶內(nèi)輻射器和寬帶帶外吸收器。仿真結(jié)果如圖5(b)所示，和一個5×5的天線陣列的單元相比，在整個X波段(8.0～12.5 GHz)內(nèi)，單元RCS降低10 dB以上，最大降低30 dB以上。該設(shè)計方法為低RCS天線提供了一種可行的替代方案。

圖5 基于人工表面等離激元的RCS天線

文獻(xiàn)[62]介紹了一種網(wǎng)狀低RCS反射陣列天線。如圖6(a)所示，天線由饋電喇叭和反射器組成。反射器可以在工作頻帶內(nèi)將球面波轉(zhuǎn)換為平面波，并傳輸帶外入射波，從而獲得低RCS特性。仿真結(jié)果如圖6(b)所示，與參考天線相比，該天線在1.0～8.5 GHz和12.0～19.0 GHz頻率范圍內(nèi)的RCS明顯減小。

圖6 網(wǎng)狀化RCS反射陣列天線

文獻(xiàn)[63]提出一種利用人工表面等離激元降低高增益輻射和RCS的各向異性超表面，可用于輻射和散射的獨立波操縱。各向異性超表面由各向異性單元組成，如圖7所示，可分別表現(xiàn)出x偏振和y偏振的反射模式和透射模式。通過改變單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以實現(xiàn)寬范圍內(nèi)變化的x偏振反射相位和y偏振透射相位。通過與傳統(tǒng)微帶天線的集成，在23.5 GHz下獲得了8.84 dB的高增益波束，并且在22～26 GHz范圍內(nèi)將RCS降低了10 dB以上。

圖7 基于人工表面的等離激元的各向異性超表面

人工表面等離激元用于頻率選擇結(jié)構(gòu)中，可實現(xiàn)高性能傳輸和散射偏轉(zhuǎn)功能，降低阻帶內(nèi)的RCS[64-65]。文獻(xiàn)[66]提出一種基于人工表面等離激元模式的頻選結(jié)構(gòu)，利用金屬魚骨結(jié)構(gòu)，可在截止頻率以下實現(xiàn)基于人工表面等離激元模式耦合的高效傳輸。

如圖8(a)所示，在14.5～18.0GHz，設(shè)計了反射相位差在180°左右的2種不同的金屬魚骨結(jié)構(gòu)。頻選結(jié)構(gòu)由具有0101/1010編碼序列的1位編碼超材料組成，每個編碼元素由一個3×3排列的金屬魚骨結(jié)構(gòu)組成。如圖8(b)所示，和等尺寸金屬板的理論RCS相比，在x極化波正入射下RCS減小的效果，可以看出RCS降低了10 dB以上。與其他基于吸收材料的低RCS結(jié)構(gòu)相比，基于人工表面等離激元的頻選結(jié)構(gòu)的通帶性能更好，過渡區(qū)更窄，且靈活性更高。

圖8 基于人工表面等離激元模式的頻選結(jié)構(gòu)

綜上所述，由于人工表面等離激元結(jié)構(gòu)豐富的色散特性，可在不影響天線輻射性能的前提下減小天線的RCS，可廣泛應(yīng)用于隱身雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計中。

3 基于人工表面等離激元的波束重構(gòu)技術(shù)

波束重構(gòu)技術(shù)指的是波束隨著天線工作條件改變而發(fā)生改變的技術(shù)。波束重構(gòu)可以通過天線陣列或者附加機(jī)械轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，但是分別存在系統(tǒng)復(fù)雜昂貴及掃描速度慢等問題[67-68]。人工表面等離激元結(jié)構(gòu)的特性隨著尺寸的變化而變化，為設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊、超寬帶、廣角的波束可重構(gòu)天線提供一種新的可能方案。下面分別介紹基于人工表面等離激元的頻率掃描波束重構(gòu)技術(shù)、模式切換波束重構(gòu)技術(shù)、以及電控波束重構(gòu)技術(shù)。

3.1 頻率掃描波束重構(gòu)

頻率掃描天線是指天線主波束方向隨著頻率變化而變化的天線。傳統(tǒng)的頻率掃描天線實現(xiàn)方法有使用天線陣列周期結(jié)構(gòu)的漏波天線，具有結(jié)構(gòu)緊湊，制作簡單等優(yōu)點，但是帶寬和波束掃描角還有很大的進(jìn)步空間[69]。

文獻(xiàn)[70]提出了一種基于貼片陣列實現(xiàn)的頻率掃描天線的方法，由具有梯度波紋槽和擴(kuò)口地面的人工表面等離激元結(jié)構(gòu)饋電，最大掃描角度可達(dá)到83°。此外，學(xué)者們還提出基于人工表面等離激元和透射相位梯度超表面的頻率波束掃描天線的設(shè)計方法，但是該天線的工作帶寬仍然很窄，結(jié)構(gòu)也較為冗余[71]。

前述方法受到尺寸，掃描角度和多層設(shè)計復(fù)雜等方面的限制，文獻(xiàn)[69]提出了一種平面人工表面等離激元結(jié)構(gòu)天線，可實現(xiàn)高階模態(tài)的廣角頻率波束掃描天線，可用于平面集成通信系統(tǒng)。該天線采用在標(biāo)準(zhǔn)50 Ω共面波導(dǎo)中線上蝕刻的孔陣列來產(chǎn)生人工表面等離激元模式，并利用其高階模式輻射電磁波。同時，為了提高天線的阻抗匹配性，提出了一種正弦孔設(shè)計，如圖9所示。波束掃描可以在11.7～50 GHz的寬帶范圍內(nèi)工作，掃描范圍可達(dá)129°，平均增益水平為10.92 dBi。

圖9 人工表面等離激元結(jié)構(gòu)天線

文獻(xiàn)[72]介紹了一種基于人工表面等離激元的廣角掃描增益一致的寬帶漏波天線，如圖10所示。通過在單元結(jié)構(gòu)中引入叉指金屬條，可以在相同的截止頻率下實現(xiàn)更小的傳輸線寬度，利用人工表面等離激元模式的慢波特性，可以有效拓寬漏波天線的光束掃描范圍。在11～16 GHz(37%)的帶寬內(nèi)，測量波束范圍為-54°～+6°，在火控雷達(dá)、成像雷達(dá)等應(yīng)用中具有一定的實用價值。

圖10 寬帶漏波天線

文獻(xiàn)[73]介紹了一種基于人工表面等離激元的周期性調(diào)制的方位面上全向天線，可在俯仰面上實現(xiàn)頻率掃描的波束重構(gòu)，如圖11所示。天線在9.3 GHz上與z軸成55°角輻射，方向性系數(shù)為12.2 dBi，見圖11(b)。在俯仰面上，當(dāng)頻率從8.4 GHz改變到10.2 GHz時，波束改變范圍從67.7°～35.6°，見圖11(c)。

圖11 基于人工表面等離激元的

3.2 模式切換波束重構(gòu)

人工表面等離激元傳輸線中支持奇模和偶模兩種基礎(chǔ)模式的傳播，通過特殊設(shè)計的結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)人工表面等離激元奇偶模切換，為寬角度波束重構(gòu)天線提供一種新思路。

基于此原理，文獻(xiàn)[74]提出了一種基于人工表面等離激元模式切換的波束重構(gòu)天線，如圖12所示。在天線中引入了3個PIN二極管控制的可重構(gòu)電路，通過加載正向或反向偏置電壓，該天線可以在人工表面等離激元傳輸線上激勵奇偶模，實現(xiàn)傳輸模式轉(zhuǎn)換，進(jìn)而實現(xiàn)奇模的端射輻射波束和偶模的橫向掃描波束。

圖12 波束重構(gòu)天線

天線在7.37～8.33 GHz范圍內(nèi)，端口1和2都具有12.23%的阻抗帶寬，且兩端口之間的隔離度為24.9 dB，通過切換天線的工作狀態(tài)，該天線可以在4.85 GHz下實現(xiàn)近84°波束切換，是WLAN和衛(wèi)星通信應(yīng)用的理想候選天線。但是此結(jié)構(gòu)頻帶較窄，可以通過多端口的波導(dǎo)饋電加以改進(jìn)，實現(xiàn)寬頻帶的可重構(gòu)天線。

3.3 電控波束重構(gòu)

在實際應(yīng)用中，定頻波束重構(gòu)天線一直是一個重要的研究熱點。一維法布里-珀羅漏波天線通過使用可調(diào)諧高阻抗表面[75-76]可實現(xiàn)定頻波束掃描，但是掃描角度范圍較小，只有21°左右。

人工表面等離激元和變?nèi)莨艿慕M合可以實現(xiàn)對天線表面阻抗的調(diào)控，進(jìn)而實現(xiàn)定頻下的天線波束可重構(gòu)。文獻(xiàn)[77]提出一種電控基于人工表面等離激元的固定頻率波束掃描的漏波天線，如圖13所示。通過改變?nèi)斯け砻娴入x激元結(jié)構(gòu)溝槽深度對表面阻抗進(jìn)行周期性調(diào)制，導(dǎo)波可轉(zhuǎn)換為具有頻率掃描特性的漏波輻射。此外，通過直流偏置電壓改變變?nèi)荻O管的電容，可以重新調(diào)制天線的表面阻抗，從而使輻射光束以固定頻率在大角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)向。仿真實測結(jié)果表明，改變直流偏置電壓0～20 V，可以控制輻射波束在5.5～5.8 GHz的頻率范圍內(nèi)連續(xù)轉(zhuǎn)向，掃描角可達(dá)45°。

圖13 定頻波束掃描漏波天線

文獻(xiàn)[78]提出一種基于人工表面等離激元的雙頻固定頻率波束掃描漏波天線，如圖14所示。由電容器和變?nèi)荻O管交替放置的均勻波紋狀微帶線，其單元在2個不同的頻帶上支持2種模式。在每個頻帶中，改變變?nèi)莨艿钠秒妷嚎梢詫崿F(xiàn)對微帶的表面特性阻抗的調(diào)控，以實現(xiàn)對波束的調(diào)控。在4.25 GHz和5.75 GHz下，通過改變偏置電壓從0～10 V，天線可調(diào)節(jié)的波束角度范圍為80°和22°。該天線具有低成本、低剖面、雙頻和多功能固定頻率掃描等優(yōu)點，在雷達(dá)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)中具有潛在的應(yīng)用前景。

圖14 電控雙頻波束可重構(gòu)天線原理圖[78]

總的來說，得益于人工表面等離激元結(jié)構(gòu)的慢波特性，可以為設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊、超寬帶、廣角的波束掃描天線提供新的可能方案。由于人工表面等離激元傳輸奇偶模呈現(xiàn)的不同輻射特性，可外加控制電路實現(xiàn)波束切換的功能。此外，人工表面等離激元結(jié)構(gòu)和變?nèi)莨芙Y(jié)合，可實現(xiàn)大掃描范圍的定頻波束掃描。

4 結(jié)語

針對傳統(tǒng)天線的一些痛點問題，例如小型化天線對材料過度依賴、高性能輻射和低RCS特性不可兼得、天線波束可重構(gòu)方式少且范圍小等問題，本文詳細(xì)介紹了幾種具有代表性的人工表面等離激元天線賦能技術(shù)，包括基于人工表面等離激元的天線小型化技術(shù)、RCS抑制技術(shù)以及波束重構(gòu)技術(shù)。由此可見，人工表面等離激元高相位常數(shù)特性可在常規(guī)材料上實現(xiàn)具有寬帶高輻射特性的天線，其靈活的色散特性可在不影響天線輻射性能的前提下減小天線的RCS。此外，人工表面等離激元的引入可以為實現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊，超寬帶，廣角的掃頻或定頻波束可重構(gòu)天線提供新的可能方案。事實上，除本文著重介紹的3種天線賦能技術(shù)外，人工表面等離激元獨特而豐富的物理特性還可為天線賦予更多維度的新能力，從深度與廣度上進(jìn)一步擴(kuò)展天線的應(yīng)用范圍。

同時也需要認(rèn)識到，基于人工表面等離激元的天線賦能技術(shù)目前仍處于初級階段，尚存在包括以下方面在內(nèi)的問題：①人工表面等離激元天線賦能技術(shù)的定量分析理論尚未成熟，其設(shè)計過程較多地依賴仿真軟件；②結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，設(shè)計過程較為繁瑣，不便于科研與工程人員學(xué)習(xí)與應(yīng)用；③人工表面等離激元技術(shù)在復(fù)雜甚至極端情境下工作的相關(guān)資料及數(shù)據(jù)不足，其在天線賦能方面的實用效果尚未被廣泛證明。