面向5G N77与Wi-Fi 7应用的双频段异向圆极化反射型超表面天线设计

《IEEE Open Journal of Antennas and Propagation》：Dual-Band Reflective Metasurface Integrated Circularly Polarized Antenna for Sub-6 GHz 5G N77 and Wi-Fi 7 Applications

本文针对5G与Wi-Fi 7多频段无线系统中极化分集需求，提出了一种集成双频段线极化单极子天线与双层相位变换超表面（DL-PCM）反射器的创新方案。该设计在3.8 GHz（5G N77频段）和7 GHz（Wi-Fi 7频段）分别实现右旋圆极化（RHCP）和左旋圆极化（LHCP）的异向极化特性，通过超表面结构独立调控反射波振幅与相位，获得27.3%与25.3%的轴比带宽（ARBW）及高于87%的辐射效率。研究成果为多频段通信系统提供了紧凑高效的极化重构解决方案。

　　

随着第五代移动通信技术（5G）的快速部署，sub-6 GHz频段因其兼具覆盖能力与传输速率优势，成为构建智能城市、物联网及高速无线接入网的关键载体。其中3.3–4.2 GHz的n77频段被广泛用于5G中频通信，而Wi-Fi 7标准更将频谱扩展至5.925–7.125 GHz（n96频段），通过超宽信道支持万兆级传输速率。然而，多频段共存场景下面临着极化失配、多径衰落等挑战，传统线极化天线在移动环境中易因终端姿态变化导致信号衰减。圆极化（CP）天线能够通过旋转无关性显著提升链路稳定性，但现有双频段CP天线设计常受限于轴比带宽窄、极化同质化、结构复杂等问题。例如，基于贴片截角、双馈电或复合左右手结构（CRLH）的方案虽能实现双频CP，却难以兼顾宽频带与高辐射效率，更缺乏在同一系统中实现异向极化（即不同频段分别生成左旋与右旋圆极化）的能力，而这正是提升极化分集与干扰抑制性能的关键。

为突破上述局限，来自印度Pandit Deendayal能源大学的研究团队在《IEEE Open Journal of Antennas and Propagation》发表论文，提出一种基于双层相位变换超表面（Dual-Layer Phase-Change Metasurface, DL-PCM）反射器的双频段异向圆极化天线。该设计通过将双频段线极化（LP）单极子天线与可独立调控反射波特性的DL-PCM相结合，在3.8 GHz与7 GHz分别实现右旋圆极化（RHCP）与左旋圆极化（LHCP），其轴比带宽分别达27.3%与25.3%，辐射效率超过87%，为5G与Wi-Fi 7设备提供了高性能且易于集成的天线解决方案。

关键技术方法

研究采用阶梯形共面波导（CPW）馈电单极子天线作为辐射源，通过优化贴片与接地板结构实现双频段线极化辐射。核心创新在于设计了一种由两个L形缝隙金属贴片构成的DL-PCM反射器，通过调控单元尺寸（如缝隙宽度g₁/g₂、贴片长度L₁/L₂）及层间耦合，在目标频段产生90°反射相位差。利用色散分析确定表面波谐振模式（TM₁₀与TM₂₀），并通过5×8单元阵列优化抑制边缘衍射。天线与超表面间距设置为7 mm（约0.09λ₀），以满足法布里-珀罗（Fabry-Perot）腔共振条件。

天线结构设计与性能

天线采用RT/Duroid 5880介质基板（ε_r=2.94），通过阶梯状辐射贴片与侧方方形耦合结构拓展阻抗带宽。如图3所示，电流分布表明天线在3.8 GHz与7 GHz均以Y极化为主导，为后续超表面极化转换提供基础。仿真显示其阻抗带宽（|S₁₁|<-10 dB）在低频段与高频段分别为15%（3.38–3.94 GHz）与20%（6.6–8 GHz），峰值增益达4.63 dBi与4.42 dBi。

双层超表面反射器工作机制

DL-PCM由上下两层L形缝隙贴片（PCM-1与PCM-2）堆叠而成，通过非对称结构打破对称性以激发正交表面电流。单元仿真（图6）表明，单独工作时PCM-1与PCM-2的±90°反射相位带宽分别为18.89%（6.04–7.3 GHz）与23.91%（3.46–4.4 GHz），而双层集成后带宽扩展至23.79%（6.22–7.9 GHz）与27.83%（3.34–4.42 GHz）。这种性能提升源于层间电容耦合效应，其电容值可由平行板公式C=εA/d估算（d=1.6 mm为层间距）。

参数化分析（图7）显示，缝隙宽度g₁/g₂减小会增强耦合但压缩带宽，而贴片长度L₁/L₂增加可降低谐振频率。通过色散曲线（图8）确定TM₁₀与TM₂₀模式分别对应3.8 GHz与7 GHz谐振，与天线工作频点吻合。

极化转换与阵列优化

在Y极化波入射下，DL-PCM的交叉极化反射系数（|r_xy|）在3.8 GHz与7 GHz出现峰值，同时同极化分量（|r_yy|）显著降低（图9），表明线极化波被转换为正交极化。相位差分析（图9b）进一步证实：3.8 GHz处相位差接近+90°（生成RHCP），7 GHz处为-90°（生成LHCP）。时变表面电流分布（图10）显示电流矢量呈90°渐进旋转，验证了圆极化生成机制。5×8单元阵列（图14）在3.38–4.4 GHz与6.22–7.9 GHz频段内轴比（AR）低于3 dB（图15），极化转换比率（PCR）超过85%。阵列尺寸优化表明，5×8配置在抑制边缘衍射与表面波谐振间取得平衡，进一步增加单元数反而会因相位不均匀性劣化轴比。

集成天线实测验证

天线与DL-PCM通过7 mm泡沫垫片（ε_r≈1）间隔集成（图16）。实测结果显示，集成后的阻抗带宽为18.42%（3.38–4.08 GHz）与20%（6.6–8 GHz），轴比带宽达18.8%（3.52–4.45 GHz）与16.4%（6.5–7.66 GHz）（表III）。辐射方向图（图20）证实3.8 GHz频段为RHCP（XZ与YZ面3 dB波束宽度分别为100°与120°），7 GHz频段为LHCP（波束宽度95°与79°）。实测峰值增益为5.8 dBic（3.8 GHz）与6.8 dBic（7 GHz），略低于仿真值（表V），误差源于加工公差与连接器损耗；辐射效率始终高于80%（图21）。斜入射分析（图12）表明，在入射角θ≤45°时仍保持良好极化稳定性。

结论与意义

本研究通过双层超表面反射器与线极化天线的创新集成，实现了双频段异向圆极化辐射，其宽轴比带宽、高效率及极化分集特性显著优于现有单层超表面或同质极化设计（表VI）。该方案无需复杂馈电网络即可将任意线极化天线转换为圆极化系统，为5G与Wi-Fi 7设备提供了高兼容性的硬件平台。未来可通过优化单元拓扑与材料进一步拓展带宽，或引入可重构机制实现动态极化切换，满足下一代无线系统对频谱效率与链路可靠性的极致追求。