緊湊型微帶陣列天線互耦的改善

楊明武(1958-),男,安徽滁州人,合肥工業(yè)大學(xué)教授,碩士生導(dǎo)師.

緊湊型微帶陣列天線互耦的改善

戴維,楊明武,左勁風(fēng)

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院,安徽 合肥230009)

摘要:文章根據(jù)經(jīng)典的啞鈴狀缺陷地結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出一種新型缺陷地結(jié)構(gòu),用于改善緊湊型微帶陣列天線陣元間的互耦。在諧振頻率為2.45 GHz,陣元間距為1/10自由空間波長的天線陣陣元間引入該結(jié)構(gòu), 采用Ansoft HFSS進(jìn)行仿真,比較加入缺陷地結(jié)構(gòu)前后天線的各項(xiàng)參數(shù),結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)使得表征陣元間互耦的參數(shù)S12減小30 dB以上,有效地改善了陣元間的互耦。

關(guān)鍵詞:微帶陣列天線;缺陷地結(jié)構(gòu);互耦;插入損耗;回波損耗

收稿日期：2014-02-18;修回日期：2014-04-01

基金項(xiàng)目：安徽省高校省級自然科學(xué)研究重點(diǎn)資助項(xiàng)目(KJ2012Z316)

作者簡介：戴維(1990-),男,安徽安慶人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生;

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2015.01.014

中圖分類號:TN822文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Mutualcouplingreductionbetweencompactmicrostriparrayantennas

DAIWei,YANGMing-wu,ZUOJing-feng

(SchoolofElectronicScienceandAppliedPhysics,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China)

Abstract:In this paper, a novel defected ground structure(DGS) is proposed based on classical dumbbell-shaped DGS for the suppression of the mutual coupling between closely-spaced microstrip patch array antennas. The structure is etched on the ground between two one-tenth wavelength spaced patch antennas with a resonant frequency of 2.45 GHz. Through Ansoft HFSS simulation testing, the performance of the antenna arrays with and without DGS is compared and the result indicates that the DGS structure is effective in reducing mutual coupling with a reduction of the relevant parameter S12 by over 30 dB.

Keywords:microstriparrayantenna;defectedgroundstructure(DGS);mutualcoupling;insertionloss;returnloss

微帶天線的結(jié)構(gòu)簡單,易于生產(chǎn)和制作,容易與安裝表面共形,能夠?qū)崿F(xiàn)多極化或多頻工作,同時(shí)饋電網(wǎng)絡(luò)可以與微帶天線單元集成在同一介質(zhì)基板上,這些特點(diǎn)使得其在應(yīng)用中倍受青睞。相對于單個(gè)的微帶天線,微帶陣列天線有更高的增益以及可以實(shí)現(xiàn)波束掃描或波束控制等性質(zhì),已在多輸入輸出系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)以及個(gè)人無線通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。與孤立陣元的輸入阻抗不同,陣列天線工作時(shí),互耦會導(dǎo)致天線陣元的輸入阻抗發(fā)生變化,導(dǎo)致天線的阻抗失配,進(jìn)而引起陣元輻射效率及系統(tǒng)效率降低和天線極化特性變壞等問題,使得天線不能達(dá)到最佳的設(shè)計(jì)效果,甚至無法正常工作。對于高集成度的大規(guī)模電路,微帶天線和其他元器件被集成在一個(gè)相對狹小的空間內(nèi),與其他器件之間的耦合對天線性能的影響也不可忽略。

互耦的產(chǎn)生原因主要有3種:表面波、近場耦合和遠(yuǎn)場耦合。當(dāng)介質(zhì)層尺寸和材料不同時(shí),這3種耦合機(jī)制都可能起主導(dǎo)作用。文獻(xiàn)[1]研究了互耦和陣元間距離的關(guān)系,隨著陣元間距離的增加,3種耦合機(jī)制對于天線的影響都在減小,當(dāng)陣元間的距離增加1倍時(shí),表面波減小3dB,遠(yuǎn)場耦合減小6dB,近場耦合減小達(dá)到12dB以上。所以對于陣元間距離較小的緊湊型陣列,陣元間互耦的抑制顯得尤為重要。為了減小互耦,文獻(xiàn)[2]采用在天線周圍介質(zhì)板中周期性打孔的光子帶隙結(jié)構(gòu)(photonicband-gap,PBG),這種結(jié)構(gòu)雖然能抑制表面波的傳播從而減小互耦,但是PBG對于制作工藝要求很高,并且周期結(jié)構(gòu)會增大天線的尺寸,實(shí)用性并不好。文獻(xiàn)[3]使用電磁帶隙結(jié)構(gòu)(electromagneticband-gap,EBG)來抑制表面波的傳播,在介質(zhì)基板上印制周期性金屬貼片,每個(gè)金屬貼片通過孔與地板相連,這種結(jié)構(gòu)同樣會增加天線的尺寸。文獻(xiàn)[4]在陣元間加入平面周期性的金屬貼片,用貼片提供的電容和電感構(gòu)成并聯(lián)LC諧振電路,在陣元間起到濾波效果,這種結(jié)構(gòu)克服了在介質(zhì)中開孔工藝的困難,結(jié)構(gòu)也相對緊湊,但是由于這種結(jié)構(gòu)的金屬貼片形狀復(fù)雜,貼片形狀與電容和電感的關(guān)系難以確定,使得其應(yīng)用受到限制。

缺陷地結(jié)構(gòu)(defectedgroundstructure,DGS)通過在電路的接地板上刻蝕出缺陷圖案,以改變電路襯底材料的有效介電常數(shù),從而改變基于該介質(zhì)上微帶線的分布電感和分布電容,以此形成頻率的帶阻效應(yīng)[5]。與EBG相比較,DGS只需要簡單的幾何形狀就可以形成所需的電磁帶隙結(jié)構(gòu),并且工藝相對于EBG簡單,該結(jié)構(gòu)已被廣泛應(yīng)用于微波電路分立部件,如微帶線、濾波器、諧振腔、放大器、振蕩器等的設(shè)計(jì)中。在減少陣列天線互耦方面,文獻(xiàn)[6]在距離為1/4自由空間波長的微帶陣列天線間引入3排反向交織環(huán)狀的DGS,使得陣元間的互耦減小了15dB。文獻(xiàn)[7]通過使用背靠背的雙U型槽狀DGS使得距離為3/4自由空間波長的微帶陣列間的互耦減小了9dB。

1DGS結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

一系列的研究表明DGS能夠用于改善陣列天線陣元間的互耦,但是這些研究都是針對天線陣元間距離較大的情況,在2個(gè)天線陣元之間有足夠的空間刻蝕出缺陷結(jié)構(gòu),以此來減小陣元間的互耦。對于緊湊型的天線陣列以及在將天線與其他器件集成在一個(gè)基板上的大規(guī)模集成電路里,天線和其他元器件集成在一個(gè)介質(zhì)板上,空間上對DGS尺寸的要求相對苛刻,前面文獻(xiàn)中提到的一些結(jié)構(gòu)并不適合緊湊型的陣列。文獻(xiàn)[8]提出在微帶線的地板上刻蝕出同心圓環(huán)的缺陷結(jié)構(gòu),并且在地板的下面再加一層介質(zhì)和金屬板,這種結(jié)構(gòu)對于陣元間的距離沒有要求,在空間上適用于所有陣列天線,并且可以在寬頻帶的范圍內(nèi)減小微帶線的插入損耗。曾將這種結(jié)構(gòu)用于天線陣列,在微帶貼片天線的正下方的地板刻蝕出缺陷,并在地板線面添加介質(zhì)層,結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)能有效地減小插入損耗,但是在天線的正下面引入缺陷的結(jié)構(gòu),對于天線輻射方向圖的影響很大,不適宜用于陣列天線互耦的改善。

經(jīng)典的啞鈴狀DGS已被濾波器、諧振器等微波器件廣泛使用[9]。但是天線對于尺寸的要求使啞鈴狀DGS的應(yīng)用受到限制,本文提出的結(jié)構(gòu)根據(jù)啞鈴狀改變而來,將兩端的矩形縫隙減小,并且增加為連續(xù)的周期性,這種改變可以大大減小DGS的橫向尺寸,從而使其適用于緊湊型的陣列,圖1所示為帶阻頻率在2.45GHz的啞鈴狀和新型的DGS結(jié)構(gòu)。圖1a的啞鈴狀結(jié)構(gòu)中x0=y0=15 mm,圖1b表示的結(jié)構(gòu)具體參數(shù)為x1=2mm,y1=4 mm,x2=3 mm,y2=1 mm,x3=20 mm。

圖1　2種 DGS結(jié)構(gòu)

圖2比較了2種結(jié)構(gòu)對于特性阻抗為50Ω的微帶線的濾波效果,啞鈴狀DGS在1.88~3.29GHz的頻率范圍內(nèi),插入損耗S12的值都在-10dB以下,中心頻率2.45GHz時(shí)的S12的值達(dá)到-25.63dB;新型的DGS在頻率為2.14～2.82GHz的范圍內(nèi),S12的值在-10dB以下,中心頻率2.45GHz時(shí)S12為-21.29dB。

f/ GHz

雖然新型DGS的濾波效果比啞鈴狀DGS有所下降,但其濾波功能仍能滿足需要,尺寸上的優(yōu)勢使其在應(yīng)用中有很大潛力。

2陣列天線的設(shè)計(jì)與分析

微帶陣列天線的結(jié)構(gòu)如圖3所示?；暹x擇的是介電常數(shù)為4.4的FR4,損耗角正切tanδ為0.02,介質(zhì)的厚度H為1.6mm。根據(jù)天線尺寸的計(jì)算公式得到貼片的寬度W0為37.26 mm,長度L0為30.2 mm,通過1/4波長阻抗轉(zhuǎn)換器與50 Ω的微帶線相連進(jìn)行饋電,兩陣元之間的距離為自由空間波長的1/10[10]。

圖3　陣列天線結(jié)構(gòu)

相比于微帶線結(jié)構(gòu),天線面電流的分布更復(fù)雜,經(jīng)過仿真優(yōu)化確定在新型DGS的尺寸為x1=5mm,x2=3 mm,y1=7 mm,y2=0.45 mm, x3=24 mm時(shí),對于天線互耦的改善效果最明顯。

圖4所示為加入DGS前后天線的S參數(shù)對比,加入DGS后天線的諧振頻率有稍許的偏移,在2.45GHz時(shí)回波損耗S11幾乎沒有改變,S12由參考天線的-16.3dB下降到-46.4dB,S12減小30dB以上,說明了DGS結(jié)構(gòu)能夠有效地降低陣列單元之間的互耦。

f/ GHz

圖5所示為加入DGS前后天線E面的方向圖,可見DGS對于方向圖沒有明顯的改變,這種情況下,采用DGS改善陣元間的互耦是一種可行的方案。

圖5　 E面方向圖

為了更清楚地顯示對于互耦的抑制效果,圖6對比了在只有一個(gè)天線被激勵(lì)時(shí)加入DGS前后地板上電流的分布,可以看出DGS明顯地抑制了電流的傳播。

圖6　地板電流的分布

3結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)出一種適用于緊湊型陣列天線的缺陷地結(jié)構(gòu)。它在不改變天線的回波損耗和輻射方向圖等參數(shù)的條件下,對于插入損耗S12的抑制在30dB以上,對于天線互耦有明顯的改善。橫向的緊湊結(jié)構(gòu)使得它不僅可以適用于陣列天線的陣元之間,還能適用于將天線與其他器件集成在一起的大規(guī)模集成電路,以減小互耦對于天線性能的影響。這種結(jié)構(gòu)在抑制天線耦合的設(shè)計(jì)中有很好的應(yīng)用前景。

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(責(zé)任編輯何曉雄)