緊湊型頻率選擇表面在單極子天線陣解耦中的應(yīng)用研究

胡立忠 閭建詳 姚建國 周亮

摘 要： 通過在方形金屬貼片上構(gòu)造大量縫隙和環(huán)，改進(jìn)設(shè)計(jì)了一種小型化頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，其電尺寸極小，僅為[0.063λ0×0.063λ0]（[λ0]是天線在自由空間工作波長）。采用CST軟件對(duì)這種結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)特性進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和討論，其具有良好的阻帶特性以及角度和極化穩(wěn)定性?；谠擃l率選擇表面的頻率選擇特性設(shè)計(jì)了一款二元單極子天線陣，通過在天線間加載頻率選擇表面，有效地抑制了天線間的空間波耦合，使天線間互耦下降了9.7 dB，并且天線增益提高、方向性變好。因此，該頻率選擇表面在設(shè)計(jì)高性能天線陣方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： 頻率選擇表面； 單極子天線陣； 解耦； 電磁特性

中圖分類號(hào)： TN826?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）05?0081?04

0 引 言

解耦是天線研究領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，天線陣單元間由于近場(chǎng)效應(yīng)和表面波的相互作用不可避免的會(huì)產(chǎn)生耦合[1?2]。天線間的互耦可以導(dǎo)致陣元與饋電網(wǎng)絡(luò)之間阻抗失配、副瓣電平增大、陣元方向圖畸變以及掃描盲點(diǎn)等一系列惡劣結(jié)果。通常在設(shè)計(jì)制作天線陣時(shí)，天線單元間距需要控制在[λ02]以上來確保單元間合適的隔離度和低相關(guān)性。然而，這勢(shì)必會(huì)造成天線陣信道容量下降，并且與現(xiàn)代無線通信設(shè)備日益增長的高集成化和小型化的發(fā)展趨勢(shì)相違背。

常用的解耦方法有在多天線單元之間加入諧振槽或缺陷地結(jié)構(gòu)[3]、電磁帶隙結(jié)構(gòu)[4]、頻率選擇表面（Frequency Selective Surface，F(xiàn)SS）[5]、單負(fù)超材料[6]等各類填充結(jié)構(gòu)，利用它們的帶阻特性在天線工作頻率范圍內(nèi)形成頻率禁帶，從而實(shí)現(xiàn)降低天線單元間互耦和提升天線陣性能的目的。

本文研究分析了一種小型化頻率選擇表面，采用CST軟件對(duì)FSS的頻率響應(yīng)特性進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和討論，其具有良好的阻帶特性以及角度和極化穩(wěn)定性。利用FSS的頻率選擇特性設(shè)計(jì)了一款弱耦合緊湊型二元單極子天線陣，通過在天線間加載頻率選擇表面，天線間互耦下降了9.7 dB，解耦效果顯著，并且天線單元的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性得到優(yōu)化。

2 基于FSS的弱耦合二元單極子天線陣設(shè)計(jì)

利用頻率選擇表面的電磁濾波特性，通過在天線陣單元間加載頻率選擇表面可以抑制天線間的耦合，從而縮小天線單元間距并提高天線陣性能?；谶@一思想，本節(jié)設(shè)計(jì)了一款小間距低耦合的二元單極子天線陣，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。兩天線間加載的是一塊4×3的FSS陣列，其中FSS采用的是上一節(jié)所設(shè)計(jì)的工作在1.9 GHz的頻率選擇表面。金屬地板的面積為60 mm×60 mm，介質(zhì)環(huán)采用的是介電常數(shù)為2.65，厚度為3 mm的介質(zhì)材料，通過參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)使天線陣與頻率選擇表面的工作頻點(diǎn)相一致，均為1.9 GHz。天線陣的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表4所示。

為了驗(yàn)證頻率選擇表面的解耦效果，對(duì)未加載FSS的參考天線陣和加載FSS的天線陣進(jìn)行了加工制作和測(cè)試，天線實(shí)物如圖6所示，這里參考天線陣所取的物理參數(shù)與所設(shè)計(jì)的FSS加載天線陣完全相同。采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N5230C對(duì)天線陣的二端口S參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，仿真和測(cè)試結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看出，仿真和測(cè)試結(jié)果吻合較好，加載FSS的天線陣與參考天線陣的S11在工作頻段均優(yōu)于-15 dB并且諧振頻點(diǎn)無偏移，說明頻率選擇表面的引入并未影響天線陣的阻抗匹配。測(cè)試結(jié)果顯示，通過加載FSS，天線陣的S21峰值從-9.3 dB下降到-19 dB，降幅達(dá)到9.7 dB，說明天線間的互耦得到顯著抑制，這正是因?yàn)镕SS的空間濾波特性，使得電磁能量在兩天線間無法傳遞，從而減小了天線間的耦合作用。

為了研究FSS的引入對(duì)天線陣遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性的影響，在微波暗室中對(duì)天線陣的輻射方向圖進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試時(shí)其中一個(gè)天線單元饋電，另外一個(gè)加載50 Ω匹配負(fù)載，這樣測(cè)得的便是陣元的方向圖。圖8（a）是天線陣在1.9 GHz處的H面方向圖，它位于圖5中的[xOy]平面。FSS加載天線陣的電磁能量更集中于某一特定區(qū)域，這樣其方向性和增益更好，結(jié)果顯示加載FSS后天線陣的增益從1.08 dB增加到3.09 dB。圖8（b）是E面方向圖，它位于圖5中的[xOz]平面，同樣顯示其前向增益提高并且方向性更好。另外值得一提的是兩天線相距很近，[l2=λ08，]這對(duì)于設(shè)計(jì)小型化天線陣具有重要意義。

3 結(jié) 語

本文研究了一種小型化頻率選擇表面，分析了其電磁特性，驗(yàn)證了其具有帶阻特性好、小型化程度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。基于該FSS的頻率選擇特性設(shè)計(jì)了一款二元單極子天線陣，通過在天線間加載頻率選擇表面，天線間耦合下降了9.7 dB，并且天線的增益提高、方向性變好。這些都說明該FSS在設(shè)計(jì)小型化、高性能天線陣中具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

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