電磁異向介質(zhì)在陣列天線中的應(yīng)用研究

張洪欣 徐 楠 黃麗玉 賀鵬飛

（1.北京郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，北京100876；2.安全生產(chǎn)智能監(jiān)控北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（北京郵電大學(xué)），北京100876；3.煙臺(tái)大學(xué) 光電信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，山東 煙臺(tái)264005；4.北郵-首鐵資源網(wǎng)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京100876）

引 言

為了適應(yīng)實(shí)際電磁工程的需求，在無(wú)線通信系統(tǒng)中通常對(duì)天線的輻射功率要求有很高的集中性［1-2］.例如，對(duì)于高精密度的雷達(dá)天線等特殊系統(tǒng)設(shè)備，其天線的波瓣寬度常常只有1／3度（20″）；又如無(wú)線電望遠(yuǎn)鏡的天線，它們的波瓣寬度甚至可能會(huì)小于2″.另外，為了進(jìn)一步提高天線的輻射性能，增加增益，抑制天線的副瓣電平，控制波束賦形參數(shù)等，可以利用天線陣來(lái)滿足這些要求.然而，微帶陣列天線單元之間存在互耦效應(yīng)，這通常會(huì)影響天線單元的輻射特性［3］，而降低天線的輻射效率.另外，互耦導(dǎo)致的陣元輸入阻抗也會(huì)發(fā)生變化，是引起天線性能衰減的主要原因.互耦特性對(duì)天線性能的影響主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)［4］：1）方向圖：微帶天線上的電流在互耦的作用下其分布發(fā)生了改變，導(dǎo)致部分輻射能量進(jìn)一步耦合到其他天線單元，因此，部分耦合能量被端接負(fù)載吸收而消耗，而另一部分能量又會(huì)再次輻射，所以，天線的方向圖會(huì)發(fā)生畸變.2）輸入阻抗：天線的輸入阻抗及其匹配程度會(huì)受到互耦的影響，陣列單元的輸入阻抗會(huì)改變，將與孤立元的輸入阻抗不同；由于各陣元位置導(dǎo)致的互阻抗不同，故各陣元的輸入阻抗不相等.3）增益：在微帶天線中存在熱損耗以及阻抗不匹配引起的反射損耗，從而使得天線的輻射功率比發(fā)射功率要小.反射系數(shù)在互耦的作用下會(huì)發(fā)生變化，故天線的增益受到影響.

為解決互耦效應(yīng)對(duì)天線的方向圖、輸入阻抗、增益等特性的影響，在天線中加載接地結(jié)構(gòu)（Defected Ground Structure，DGS）是目前通常采用的有效方法，或者在天線中加載電磁場(chǎng)帶隙（Electromagnetic Band Gap，EBG）結(jié)構(gòu).EBG結(jié)構(gòu)往往由多個(gè)周期單元復(fù)合而成，其空間尺寸會(huì)比較大，在緊湊型微帶陣列設(shè)計(jì)中一般不能滿足需求［5］；而通常是通過(guò)在地板上刻槽縫的方式實(shí)現(xiàn)DGS結(jié)構(gòu)，這往往會(huì)導(dǎo)致后向輻射效應(yīng)，使得陣列天線的增益降低［6］.因此，為了保證天線的性能，有關(guān)互耦抑制的新型方法在緊湊微帶天線陣列的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中十分重要.根據(jù)最近的研究報(bào)道，電磁異向介質(zhì)在天線設(shè)計(jì)中受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注［7-10］，并且其慢波效應(yīng)又具有抑制表面波的作用［11-13］.因此，本文將電磁異向介質(zhì)結(jié)構(gòu)單元加載在天線陣列之中，以改善天線的互耦效應(yīng)；研究表明，當(dāng)加載電磁異向介質(zhì)時(shí)，可以抑制天線單元表面波的傳播，從而減小了天線單元間的互耦效應(yīng).

1 基本理論

對(duì)近場(chǎng)天線陣列間的互耦計(jì)算如下.假設(shè)陣列貼片單元采用同軸饋線，則兩饋電貼片天線計(jì)算互耦的模型如圖1所示［14-15］.

圖1 微帶天線互耦計(jì)算模型

根據(jù)反射系數(shù)的計(jì)算公式得

式中，a1、a2、b1、b2是電磁波的歸一化電壓.將入射波和反射波疊加在一起，端口的電壓和電流與波的關(guān)系為

式中，Zc1和Zc2為同軸饋線的特征阻抗.

工程中常采用高斯脈沖類(lèi)型的電壓作為端口的激勵(lì)源.為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，設(shè)仿真中只在端口1加激勵(lì)，端口2接50Ω匹配負(fù)載.因此，端口二的入射波為零，即a2＝0.此時(shí)式（1）為

將式（6）和（7）代入式（2）～（3），并整理得

測(cè)得了電壓和電流后，就可以根據(jù)式（8）和（9）反求出回波損耗S11和互耦系數(shù)S21.

2 基于電磁異向媒質(zhì)的天線陣元互耦分析

研究表明，通過(guò)增強(qiáng)隔離度可以有效地降低天線陣元間的相互干擾.一般影響天線間互耦程度的因素有許多，例如，天線的結(jié)構(gòu)尺寸、頻率、增益或者方向圖、近場(chǎng)效應(yīng)、輸入阻抗、防護(hù)層材料等因素.在天線陣列單元中增加隔離裝置是最常用的一般方法，可以通過(guò)隔離以達(dá)到抑制天線之間的表面耦合的目的.

2.1 基于電磁異向媒質(zhì)的微帶天線陣列設(shè)計(jì)

根據(jù)陣元間相對(duì)位置的不同來(lái)區(qū)分，微帶陣列天線可以分為E面耦合和H面耦合兩種形式，如圖2所示.在E面耦合的情況下，表面波的傳播方向?yàn)閤方向，由于在高介電常數(shù)或者厚襯底時(shí)激發(fā)的表面波最強(qiáng)，所以此時(shí)互耦最為嚴(yán)重；在H面耦合的情況下，表面波的傳播方向不沿x方向，此時(shí)散射場(chǎng)的耦合產(chǎn)生互耦效應(yīng)，由于低介電常數(shù)襯底的貼片尺寸大，因此在低介電常數(shù)的條件下互耦最為嚴(yán)重；但是H面耦合一般沒(méi)有E面嚴(yán)重.

圖2 E面耦合和H面耦合微帶貼片天線陣列

輻射單元是天線陣列的基本構(gòu)成單位.本文所設(shè)計(jì)的陣列輻射單元選擇了矩形微帶天線，并且，選擇H面耦合形式，兩貼片的距離為40mm.為抑制微帶陣列天線的互耦效應(yīng)，在設(shè)計(jì)時(shí)，以隔離板的形式將SRR單元單向排列，并放置于兩貼片天線的中間，同時(shí)垂直于兩單元之間的連線處，如圖3所示.其中設(shè)計(jì)的SRR環(huán)印制在厚度為0.76mm、εr為3的介質(zhì)材料上.SRR陣列的組成為1×4單元.每個(gè)單元為邊長(zhǎng)為18.55mm的一個(gè)開(kāi)口諧振環(huán)，其間距為2.425mm×2.91mm.

由于添加了SRR隔離板，則必然會(huì)對(duì)天線陣列的工作頻點(diǎn)產(chǎn)生一定的影響；但是本文經(jīng)過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)其影響較小，因而對(duì)天線尺寸做細(xì)微的調(diào)整仍然可以能夠使其工作在2.4GHz附近.

圖3 加載SRR的微帶天線模型

2.2 天線陣元的互耦抑制仿真與分析

如圖4所示為未加載開(kāi)口諧振環(huán)SSR之前，通過(guò)CST studio電磁仿真軟件計(jì)算出的貼片陣列天線的S參數(shù)曲線.由圖4可見(jiàn)，天線的工作頻率為2.4GHz，此時(shí)天線的反射系數(shù)為S11＝-20.32 dB，在該頻率下與之相對(duì)應(yīng)的互耦因子為S21＝-16.30dB.同時(shí)可以看出，互耦效應(yīng)在這種陣列天線單元之間比較明顯.圖5為陣列天線的的方向圖，由此可以看出，天線的增益G為6.0dBi.E面和H面的半功率角度分別為134o和126.6o.

圖4 未加載SSR時(shí)矩形微帶貼片天線的互耦

圖6為兩單元構(gòu)成的微帶天線陣列在加載SRR隔離板后，由CST studio計(jì)算的S參數(shù)曲線.可見(jiàn)在加SRR隔離板后，天線的反射系數(shù)S11由-20.32dB變?yōu)?16.16dB，天線的匹配性能有所下降，但是在工程上仍處于可接受的范圍內(nèi).此時(shí)，在諧振頻率處對(duì)應(yīng)的互耦因子S21由-16.30dB降為-25.1dB，可見(jiàn)互耦效應(yīng)得到了很好的抑制效果.與圖4未加載隔離板情況下的微帶陣列天線相比，在諧振點(diǎn)處的耦合因子S21由-16.3dB降低到了-25.1dB，有8.8dB的改善，互耦抑制效果顯著.可見(jiàn)，在天線單元間加載SRR隔離板能夠很好地抑制微帶陣列天線間的互耦作用.

圖5 未加載SSR時(shí)微帶陣列天線方向圖

在加載SRR隔離板后，圖7為天線的方向圖.由此可以看出，貼片天線陣列的增益為5.8dBi，并且，E面和H面方向圖的半功率波束角度分別改變?yōu)?34.6o和125.4o.經(jīng)過(guò)對(duì)比可知，加載SRR隔離板對(duì)天線陣列的方向圖基本沒(méi)有影響.

圖7 加載SSR后微帶陣列天線方向圖

3 結(jié) 論

通過(guò)上述研究表明，將SRR結(jié)構(gòu)單元加載于微帶天線陣列的方法，能夠有效地抑制微帶陣列天線單元間的互耦效應(yīng).與傳統(tǒng)的互耦抑制方法相比，本文所采用加載SRR單元的最大好處是SRR單元厚度小，可適用于在結(jié)構(gòu)緊湊的陣列天線間進(jìn)行互耦效應(yīng)的抑制.所提出的加載SRR單元的方法，為設(shè)計(jì)低耦合、高密度高性能的微帶天線陣列提供了相應(yīng)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持.

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