基于特征模理论设计的宽带高增益超表面天线

《IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters》：Design of a Wideband High-Gain Metasurface Antenna Based on Characteristic Mode Theory

基于特征模式理论，设计了一种由4×4周期性单元组成的元表面天线，通过边缘寄生元和L形微带馈线优化，实现14.13-38.98GHz宽频带覆盖（93.6%相对带宽），峰值增益11.4dBi，方向图稳定，适用于5G毫米波、卫星多频段集成及超宽带雷达。

　　

摘要：

为满足现代高频通信系统中对宽带和高增益天线解决方案日益增长的需求，本文提出了一种基于特征模式理论（CMT）的超表面（MTS）天线。该天线由MTS结构、双层Rogers 5880介质基板、接地平面和L形微带馈线组成。MTS由4×4的改进型矩形单元格阵列构成，并在其周边布置了额外的矩形寄生元件。通过多槽结构与寄生元件之间的协同作用，有效调控了表面电流分布，改变了模式电流路径，从而激发了更多种类的宽带模式，为天线的宽带工作奠定了坚实基础。此外，还设计了一种电感耦合馈电结构以优化阻抗匹配性能。仿真和测量结果均表明，该天线的工作频率范围为14.13 GHz至38.98 GHz，相对带宽达到93.6%，峰值增益为11.4 dBi。在整个工作频段内，辐射模式保持稳定，辐射能量主要集中在主瓣方向。该设计有望应用于5G毫米波通信、卫星多频段集成系统和超宽带雷达探测等领域。

引言

随着无线通信技术的快速发展，诸如5G毫米波网络、6G候选频段、卫星通信和雷达应用等新兴系统对天线性能提出了越来越高的要求[1]。传统微带天线因其低矮的外形、低成本和易于集成而得到广泛应用。然而，它们固有的局限性（如带宽窄、增益低）使其无法满足现代系统对多频段兼容性、高数据传输速率和远距离传输的需求[2][3][4][5]。为克服这些挑战，研究人员研究了超表面（MTS）天线配置，其中传统微带贴片被周期性结构所取代。基于MTS的设计在带宽和增益方面取得了显著提升。不过与传统设计相比，MTS天线建模更为复杂，且通常缺乏系统的性能优化策略。基于特征模式理论（CMT）的设计方法为分析和优化MTS天线提供了严谨且物理意义明确的框架[6][7][8][9][10][11][12]。特别是宽带天线，在现代系统中起着关键作用，因为它们在宽频率范围内具有稳定的辐射特性，并支持多频段集成[13]。从CMT的角度来看，通过在不同频段选择性激发不同模式，可以实现宽带性能，从而实现高效的宽带运行[14][15][16]。