高增益多频段圆极化双层超表面贴片阵列天线设计
高增益多频带圆极化双层超表面贴片阵列天线设计研究
学术背景与研究动机
太赫兹（Terahertz, THz）频段通信近年来因其在无线通信系统中扩展带宽的潜力而受到广泛关注。然而，太赫兹系统的应用面临诸多挑战，其中信号衰减和带宽不足是主要问题。为了解决这些问题，设计高性能天线成为关键。传统的微带天线虽然具有简单的设计，但其窄带宽和低增益限制了其在太赫兹频段的应用。此外，圆极化（Circular Polarization, CP）技术能够有效减少发射器和接收器之间的极化失配，从而提高通信质量。
为了应对上述挑战，研究人员提出了一种结合双馈贴片阵列天线和双层超表面（Metasurface）的新型设计。这种设计旨在实现高增益、多频带圆极化特性，并通过优化天线结构和材料选择来提升性能。本研究的目标是开发一种能够在多个频率范围内工作的高效天线，以满足未来6G通信、药物检测和安全系统等应用的需求。
论文来源与作者信息
本文由Mona Pourhosseini、Saughar Jarchi、Pejman Rezaei和Zahra Ghattan Kashani共同撰写。作者分别来自以下机构：
- Imam Khomeini International University（伊朗加兹温）
- Semnan University（伊朗塞姆南）
- K.N. Toosi University of Technology（伊朗德黑兰）
论文于2025年发表在《Optical and Quantum Electronics》期刊上，文章编号为155，DOI为10.1007/s11082-025-08068-5。
研究方法与实验流程
a) 研究流程与实验设计
本研究分为以下几个步骤：
1. 天线阵列设计
研究首先设计了一个宽带双馈贴片阵列天线。该天线由两个不同尺寸的贴片组成，中心贴片尺寸为40 μm × 40 μm，侧边贴片尺寸为其一半（20 μm × 20 μm）。这种设计使得天线能够在两个不同的频率下共振。天线采用硅基底（厚度6 μm，相对介电常数11.9），并通过CST Microwave Studio软件进行电磁仿真。
为了实现圆极化特性，研究对贴片进行了改进：
- 在中心贴片上切割十字形缝隙（Cross Slit）和弧形切口（Crescent-shaped Arc）。
- 在侧边贴片上切割十字形缝隙。
这些几何修改有助于将线性极化转换为圆极化，并通过参数分析优化了缝隙长度和弧形半径。
2. 双层超表面设计
研究设计了一种双层超表面结构，用于进一步增强天线的圆极化特性。超表面由两层组成：
- 底层由四个相连的方形单元构成。
- 上层形成“8”字形图案，由两个相互连接的方形环组成。
超表面单元的尺寸经过优化，具体参数为：a = 4.5 μm, a1 = 2.5 μm, b = 1.6 μm, b1 = 1 μm, lm = 17.5 μm。超表面材料选用二氧化硅（SiO₂），厚度为0.75 μm，以实现低剖面设计。
3. 综合结构与测试
最终结构将双层超表面直接放置在贴片阵列天线上方。整个天线系统由四层组成：接地平面、贴片阵列、底层超表面和顶层超表面。各层之间通过硅或二氧化硅基底隔离，无空气间隙。
研究使用有限积分技术（Finite Integration Technique, FIT）对天线性能进行数值模拟，并通过S参数（如S11）、轴比（Axial Ratio, AR）和增益（Gain）评估天线的性能。
b) 主要研究结果
1. 贴片阵列天线的性能改进
通过引入十字形缝隙和弧形切口，天线的阻抗带宽显著增加。改进后的天线在3.03–3.4 THz和4.35–5.65 THz两个频段内表现出优异的性能，相比简单阵列模型，带宽分别提高了90 GHz和190 GHz。此外，天线在3.2–3.56 THz、4.48–4.6 THz和5.25–5.72 THz三个频段内实现了圆极化特性。
2. 双层超表面的性能提升
当双层超表面应用于改进后的贴片阵列天线时，天线的整体性能进一步提升：
- 阻抗带宽从3.24 THz扩展到5.44 THz，覆盖范围达到50.7%。
- 轴比带宽在四个频段内（3.48–3.74 THz、4.08–4.16 THz、4.23–4.27 THz和5.05–6 THz）表现出良好的圆极化特性，总覆盖率达到17.2%。
- 最大增益达到12 dBi，在4.32 THz处表现出77%的最大孔径效率。
3. 对比分析
研究将改进后的天线与现有文献中的类似结构进行了对比。结果表明，本设计在带宽、轴比特性和增益方面均优于其他设计。例如，与Mabrouk等人（2023年）提出的天线相比，本设计的阻抗带宽增加了39%，轴比带宽提高了6.2%。
结论与研究价值
c) 研究结论与意义
本研究成功设计并验证了一种高增益、多频带圆极化双层超表面贴片阵列天线。该天线在3.24–5.44 THz范围内表现出优异的阻抗匹配特性，并在四个频段内实现了圆极化特性。最大增益达到12 dBi，适用于多种应用场景，包括6G通信、药物检测和安全系统。
科学价值方面，本研究展示了如何通过结合贴片阵列和超表面结构实现高效的圆极化转换，为太赫兹天线设计提供了新思路。应用价值方面，该天线的多频带特性和高增益使其成为未来无线通信系统的理想候选方案。
d) 研究亮点
- 创新设计：双层超表面与贴片阵列的结合显著提升了天线的圆极化特性和带宽。
- 多频带特性：天线在四个频段内实现了圆极化，增强了其在不同频率范围内的适用性。
- 高性能指标：最大增益达到12 dBi，轴比带宽覆盖率达到17.2%。
- 材料优化：采用硅和二氧化硅作为基底材料，降低了信号损耗并实现了低剖面设计。
e) 其他有价值的信息
研究还探讨了天线的辐射效率和频率依赖性特性。仿真结果显示，天线在4.32 THz处的峰值增益为12.26 dBi，最大孔径效率为77%。这些结果进一步证明了天线的高效能量转换能力。
总结
本文提出了一种基于双层超表面的高增益多频带圆极化贴片阵列天线设计。通过详细的实验流程和数值模拟，研究展示了该天线在太赫兹频段内的卓越性能。其创新的设计理念和优异的性能指标为未来无线通信技术的发展提供了重要参考。