新型電單負(fù)材料結(jié)構(gòu)在天線互耦抑制中的應(yīng)用

仇玉杰 姜興 彭麟 姜祥奔

(桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院, 桂林 541004)

?

新型電單負(fù)材料結(jié)構(gòu)在天線互耦抑制中的應(yīng)用

仇玉杰 姜興 彭麟 姜祥奔

(桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院, 桂林 541004)

單負(fù)材料所具有的電磁禁帶特性可應(yīng)用于陣列天線中降低天線單元間的互耦．文中研究設(shè)計了一種電單負(fù)材料結(jié)構(gòu)單元ENG-APSL,采用等效電路和波導(dǎo)傳輸法分析了ENG-APSL的電磁特性,并提取等效參數(shù)．然后,將基于ENG-APSL單元構(gòu)成的隔離器用于抑制微帶陣列單元間的互耦．研究表明,天線陣列單元間距為0.37λ0(λ0為天線工作頻率波長)條件下,加載隔離器后天線陣列單元的E面耦合度降低了21 dB,并且在工作頻率(5.1 GHz)附近隔離度大于25 dB的帶寬達(dá)到5.1%．同時,該隔離器具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小的突出優(yōu)勢．

電單負(fù)材料;陣列天線;互耦抑制;隔離器;展寬帶寬

DOI 10.13443/j.cjors.2016043001

引 言

工程上,陣列天線系統(tǒng)中的天線單元并不是孤立的,每一個天線單元工作時都與其它單元之間存在電磁耦合,我們把這種現(xiàn)象稱為陣列天線的互耦效應(yīng)[1]．尤其在小間距陣列天線系統(tǒng)中,比如多入多出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)系統(tǒng)[2],互耦效應(yīng)將對陣列天線的性能造成不利影響,比如輻射方向圖失真、輸入阻抗變化等[3]．在陣列天線小型化的發(fā)展趨勢下,互耦問題成為制約陣列天線性能提高的關(guān)鍵問題．目前,應(yīng)用于減小陣列天線互耦效應(yīng)的主要方法之一就是在陣列天線設(shè)計中引入某些特殊結(jié)構(gòu)從而對互耦進(jìn)行抑制,比如電磁帶隙結(jié)構(gòu)[4](Electromagnetic Bandgap,EBG),缺陷地結(jié)構(gòu)[5-6](Defected Ground Structure,DGS)等．文獻(xiàn)[4]中天線單元間加入EBG結(jié)構(gòu)后陣元之間的耦合降低了8 dB．但其中EBG結(jié)構(gòu)需要多個周期,因而要占據(jù)較大的空間且制作工藝復(fù)雜,這樣使得設(shè)計緊湊的陣列天線變得非常困難．文獻(xiàn)[6]中將雙螺旋DGS結(jié)構(gòu)加載于天線背面,天線之間的耦合度降低了23 dB,單元間的互耦得到了很好的抑制．但是,DGS結(jié)構(gòu)需在地板上開槽縫,而這些縫隙將泄漏電磁能量,產(chǎn)生后向輻射．

目前,電磁超介質(zhì)中的單負(fù)材料(Single-Negative Metamaterial,SNG)因其在特殊頻段內(nèi)呈現(xiàn)的帶阻電磁特性而被應(yīng)用于抑制陣列天線互耦．單負(fù)材料是指材料在特殊的頻段具有電單負(fù)(Epsilon-Negative,ENG)和磁單負(fù)(Mu-Negative, MNG)特性,換言之,單負(fù)材料的介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ有且僅有一個為負(fù)值(εμ<0),從而材料中傳播常數(shù)β為0且衰減常數(shù)α大于0[7]．可見,電磁波在(SNG)中以凋落波的模式存在,因此SNG具有帶阻特性[8]．文獻(xiàn)[9-12]中設(shè)計了單負(fù)材料隔離器并將其應(yīng)用于二元微帶陣列天線互耦抑制．文獻(xiàn)[10]中天線在工作頻段內(nèi)單元間H面耦合降低了9.74 dB,并且天線單元間距為λ0/8.08(λ0為天線工作頻率波長)． 文獻(xiàn)[9-12]中的單負(fù)材料隔離器均是應(yīng)用于抑制平面微帶天線H面互耦．但是,當(dāng)天線單元間距一樣時,E面耦合比H面耦合更強(qiáng)[16]．本文設(shè)計了一種基于反向螺旋(Anti-Parallel-Spiral,APSL)結(jié)構(gòu)的電單負(fù)諧振單元(Epsilon-Negative Anti-Parallel-Spiral-Shaped Resonator,ENG-APSL resonator),分別利用結(jié)構(gòu)的等效LC諧振電路和等效媒質(zhì)參數(shù)分析ENG-APSL的電磁特性．然后利用ENG-APSL單元構(gòu)造單負(fù)材料隔離器并采用多點(diǎn)諧振法來提高隔離器的帶寬．最終將ENG-APSL隔離器應(yīng)用于二元微帶陣列天線單元間實(shí)現(xiàn)互耦抑制．在天線單元間距為0.37λ0情況下,加載ENG-APSL隔離器的天線單元間E面耦合度降低了21 dB．同時,ENG-APSL隔離器的引入并未對天線陣列性能產(chǎn)生明顯影響．本文設(shè)計工作進(jìn)行了仿真和測試,實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果較為吻合．

1 單負(fù)材料隔離器設(shè)計與分析

1.1 ENG-APSL諧振單元的設(shè)計及分析

電磁超介質(zhì)一般存在磁諧振特性和電諧振特性．磁諧振結(jié)構(gòu)的主要代表就是開口諧振環(huán)(Slit-Ring Resonator,SRR)結(jié)構(gòu)[3],在磁場的激勵下結(jié)構(gòu)發(fā)生磁諧振產(chǎn)生負(fù)磁導(dǎo)率．電諧振結(jié)構(gòu)主要包括金屬短截線、金屬彎折線等．在外加電場的激勵下,單元結(jié)構(gòu)產(chǎn)生電諧振,從而在諧振頻段產(chǎn)生負(fù)介電常數(shù)．基于這種思路,采用反向螺旋金屬線(Anti-Parallel-Spiral,APSL)結(jié)構(gòu),如圖1所示．為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的電諧振效果,在兩條螺旋金屬線起點(diǎn)處設(shè)計了接背面金屬的過孔(vias)．為了敘述方便,將這種構(gòu)造的電單負(fù)諧振單元稱之為ENG-APSL．

(a) ENG-APSL單元結(jié)構(gòu)

(b) ENG-APSL單元等效電路圖1 ENG-APSL單元結(jié)構(gòu)示意圖及其等效電路

如圖1 (a)所示,ENG-APSL結(jié)構(gòu)為正方形,由金屬螺旋線、過孔以及背面金屬組合而成．該結(jié)構(gòu)構(gòu)建在Arlon AD260A介質(zhì)板上,介電常數(shù)為2.6,損耗角正切tanδ=0.001 7,厚度h為1 mm．單元結(jié)構(gòu)參數(shù)為a=4 mm,單元結(jié)構(gòu)周期長度p=4.5 mm,金屬線末端枝節(jié)長度le=2.2 mm,螺旋金屬線寬d=0.3 mm,金屬線間隙g=0.3 mm．首先利用ENG-APSL結(jié)構(gòu)的等效LC電路進(jìn)行分析．

ENG-APSL單元結(jié)構(gòu)的等效LC電路如圖1 (b)所示．當(dāng)變化的磁場穿過結(jié)構(gòu)時,根據(jù)鏡像原理,由于結(jié)構(gòu)中的過孔(vias)接地,ENG-APSL結(jié)構(gòu)形成電流回路[13]．此時金屬線及vias可等效為電感Ls,金屬線之間的間隙可等效為電容Cs．通過計算得到Ls和Cs的值．根據(jù)公式(1)得到等效電感Ls的值:

Ls=μ0F.

(1)

式中：真空磁導(dǎo)率μ0=4π×10-7H/m;F=a2/p為ENG-APSL單元結(jié)構(gòu)比重系數(shù)[14]．

電容Cs由螺旋金屬線之間的間隙形成．首先計算出每兩條金屬線之間的單位長度電容值(Ci,Ce)[15]:

(2)

(3)

式中：Ce為外沿金屬線與內(nèi)側(cè)金屬線之間的電容值;Ci為內(nèi)側(cè)金屬線之間的電容值;η為金屬線比;K(k)為第一類完全橢圓積分,

(4)

因?yàn)镃i和Ce為并聯(lián),根據(jù)公式(2)得到ENG-APSL結(jié)構(gòu)的單位長度等效電容C:

(5)

ENG-APSL單元TEM波導(dǎo)仿真模型如圖2所示．采用波導(dǎo)激勵法,電磁波入射方向?yàn)閥軸方向,磁場和電場分別為x和z方向．其中,TEM波導(dǎo)在y軸方向分別為端口1和端口2,在x軸方向設(shè)為理想磁邊界條件(Perfect Magnetic-Boundary Condition,PMC)．圖3為ENG-APSL的傳輸特性．由圖可知,在4.6 GHz到4.65 GHz的頻段范圍內(nèi)S21達(dá)到-5 dB以下,阻礙了大部分電磁波傳輸,形成阻帶．在4.62 GHz (f2)處出現(xiàn)最小傳輸系數(shù),此為ENG-APSL的諧振頻率．這與前文中ENG-APSL結(jié)構(gòu)等效電路計算得出的諧振頻率(4.96 GHz)存在微弱偏差．同時,S參數(shù)在3.3 GHz (f1)處同樣出現(xiàn)“躍變”(在3.3 GHz處S11出現(xiàn)極大值,S21出現(xiàn)極小值),但是不能形成有效阻帶．

圖2 ENG-APSL單元結(jié)構(gòu)TEM波導(dǎo)仿真模型

圖3 ENG-APSL單元傳輸特性

圖4所示為利用S參數(shù)提取法獲得ENG-APSL的等效介電常數(shù)εeff和等效磁導(dǎo)率μeff．可見,ENG-APSL結(jié)構(gòu)的磁導(dǎo)率實(shí)部Re(μeff)在3.3 GHz (f1)處出現(xiàn)了一個微弱的“抖動”,呈現(xiàn)出Re(μeff)為負(fù)且Re(εeff)為正的磁諧振特性．同時,介電常數(shù)實(shí)部Re(εeff)曲線在4.6 GHz處出現(xiàn)極大值,然后迅速下降并在4.66 GHz處出現(xiàn)極小值,最后上升趨于平緩．Re(εeff)在頻段4.58 GHz到4.68 GHz為負(fù)值,因?yàn)轭l段內(nèi)磁導(dǎo)率為正,所以該頻段可稱為ENG頻帶．ENG-APSL結(jié)構(gòu)單元分別在頻率f1和f2出現(xiàn)磁諧振與電諧振,這說明單元結(jié)構(gòu)在f1和f2處都具有單負(fù)材料的阻帶特性．但是,由圖4可知,f1處磁諧振響應(yīng)較弱,并且阻帶帶寬極小,難以獲取滿意的阻帶特性．因此,ENG-APSL結(jié)構(gòu)的電諧振頻率f2附近的ENG頻段更適合作為隔離頻帶．另外,通過對分析結(jié)果的比較發(fā)現(xiàn),圖3和圖4體現(xiàn)的ENG-APSL單元結(jié)構(gòu)的電磁特性基本是吻合一致的．這也間接說明,相比于等效LC諧振電路的分析結(jié)果,ENG-APSL單元結(jié)構(gòu)利用TEM波導(dǎo)計算的結(jié)果更為準(zhǔn)確與直觀．

圖4 ENG-APSL單元的等效媒質(zhì)參數(shù)

1.2 基于ENG-APSL單元構(gòu)造的隔離器的研究

圖5(a)所示為由ENG-APSL單元組成的隔離器結(jié)構(gòu)示意圖,由1×11個ENG-APSL單元周期排列組成單層形式,周期為p=0.45 mm,末端枝節(jié)長度le=2.2 mm．同樣采用TEM波導(dǎo)仿真模型對單層ENG-APSL隔離器進(jìn)行特性分析．仿真計算得到此單層ENG-APSL隔離器的傳輸特性曲線,如圖5(b)所示．可見,在4.68 GHz到4.71 GHz的頻段內(nèi)S21為-5 dB以下,隔離器呈阻帶特性,阻礙了大部分電磁波的傳輸．ENG-APSL隔離器的諧振頻率為4.69 GHz．因此,4.68 GHz到 4.71 GHz的頻段范圍為工作隔離頻段,頻段帶寬為0.6%．

(a)單層ENG-APSL隔離器 (b)單層隔離器的傳輸特性圖5 單層ENG-APSL隔離器結(jié)構(gòu)示意圖及其傳輸特性

根據(jù)第1.1節(jié),ENG-APSL單元LC等效電路中的Ls和Cs的值由結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)決定．因此,改變單元的參數(shù),相應(yīng)地其諧振頻率也隨之改變．圖6給出了ENG-APSL單元結(jié)構(gòu)中螺旋線末端枝節(jié)長度le對單層隔離器的諧振頻點(diǎn)的影響,同時其它參數(shù)保持不變．由圖可知,當(dāng)le=1.6 mm時,諧振頻率為4.76 GHz;當(dāng)le=1.8 mm時,諧振頻率為4.74 GHz;當(dāng)le=2.4 mm時,諧振頻率為 4.68 GHz．容易看出,單層ENG-APSL隔離器的諧振頻率隨著其金屬線末端枝節(jié)長度的減小而增大．因此,通過改變le,隔離器可以分別獲得相鄰的諧振頻率．

圖6 le的變化對單層ENG-APSL隔離器諧振頻率的影響

由圖5(b)可知,單層ENG-APSL隔離器的隔離頻寬僅為0.6%．為了提高隔離帶寬,根據(jù)圖6中l(wèi)e對諧振頻點(diǎn)影響的結(jié)果,采用了激勵多個相鄰近的諧振頻點(diǎn)的方法設(shè)計了雙層和三層隔離器．結(jié)構(gòu)分別如圖7(b)和(c)所示,雙層和三層的結(jié)構(gòu)分別由2×11和3×11個ENG-APSL單元周期排列構(gòu)成．經(jīng)過仿真優(yōu)化,與單層結(jié)構(gòu)相比,雙層ENG-APSL隔離器單元的le值從左至右分別為2.2 mm和1.5 mm,其它參數(shù)不變．同樣地,三層ENG-APSL結(jié)構(gòu)中l(wèi)e值分別為1.8 mm、2.2 mm、2.1 mm．

由圖8可知,雙層ENG-APSL隔離器的5 dB隔離頻段為4.99 GHz到5.05 GHz,諧振頻率為5.02 GHz;三層ENG-APSL隔離器的5 dB隔離頻段為5.04 GHz到5.12 GHz,諧振頻率為5.08 GHz．單層ENG-APSL隔離器的工作隔離帶寬為0.6%,而雙層和三層結(jié)構(gòu)的帶寬分別為1.2%和1.6%,可見,三者的帶寬隨著諧振點(diǎn)的增加而提高．因此采用激勵多諧振點(diǎn)法來提高帶寬是行之有效的方法．但是,相比于單層結(jié)構(gòu)(諧振頻點(diǎn)4.69 GHz),雙層和三層結(jié)構(gòu)的諧振頻率也都發(fā)生了明顯的偏移(分別上移330 MHz和390 MHz),與圖5(b)呈現(xiàn)的情況一致．這種現(xiàn)象應(yīng)該是由于ENG-APSL隔離器的LC等效諧振電路中的等效參數(shù)值(Ls,Cs)的下降造成的．為了直觀地說明諧振頻率偏移的原因,分別還仿真了ENG-APSL單元以及其構(gòu)造的三種隔離器的電流分布(見圖9)．

(a) 單層 (b) 雙層 (c) 三層圖7 三種ENG-APSL隔離器結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 單層、雙層及三層ENG-APSL隔離器傳輸特性比較

根據(jù)圖9(a)給出的ENG-APSL單元的電流分布,兩條金屬螺旋線相對應(yīng)位置處的電流是等值反向的．在單元周期排列后,單元間鄰近的金屬線上的電流發(fā)生反向抵消現(xiàn)象,如圖9(b)、(c)和(d)所示,從而進(jìn)一步造成LC諧振電路中等效參數(shù)值下降,因此多層結(jié)構(gòu)的ENG-APSL隔離器出現(xiàn)諧振頻率上移．同時,通過增加多諧振頻點(diǎn)方法來展寬多層ENG-APSL隔離器的隔離帶寬,但是這種電流抵消造成結(jié)構(gòu)等效LC電路參數(shù)的變化使得增加的諧振頻點(diǎn)也產(chǎn)生了變化．

圖9 ENG-APSL單元及其構(gòu)成的三類隔離器的電流分布

2 ENG-APSL隔離器的應(yīng)用

將三層ENG-APSL結(jié)構(gòu)隔離器加載于二元微帶天線陣陣元間,如圖10所示．二元微帶天線陣工作頻率設(shè)為5.1 GHz,天線單元采用矩形微帶貼片,兩個貼片沿天線的E面放置,貼片尺寸為W×L(21 mm×17 mm),采用同軸饋電．單元之間的距離為D=0.37λ0,λ0為工作波長．介質(zhì)板材同樣選用Arlon AD260A．天線陣尺寸為60 mm×100 mm．圖11所示為加載ENG-APSL隔離器的天線實(shí)物圖片．

圖10 加載ENG-APSL隔離器的二元微帶天線陣示意圖

(a)正面 (b)背面圖11 加載ENG-APSL隔離器的天線陣實(shí)物

分別對加載ENG-APSL隔離器前后天線的S參數(shù)進(jìn)行了仿真和測試,如圖12(a)和(b)所示．由實(shí)測數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果的比較可知,無論是參考天線陣還是加載隔離器的天線陣的實(shí)測工作頻率都發(fā)生了同樣的偏移現(xiàn)象,這應(yīng)該是由于所用介質(zhì)板不均勻造成的．由圖12(a)可知,在未加載ENG-APSL隔離器情況下,從S21可知仿真得到的單元間耦合系數(shù)為-19 dB以及測試得到的耦合系數(shù)為-15 dB．由于加工工藝原因,實(shí)測值與仿真值相比,大概有4 dB左右的誤差．由圖12(b)可知,在天線加載ENG-APSL隔離器以后,無論是仿真還是測試,單元間耦合系數(shù)(S21)都有所降低．在相應(yīng)的天線工作頻率處,仿真結(jié)果中天線陣元之間的耦合降到為-34 dB．實(shí)測中單元間耦合系數(shù)整體低于-21 dB,并且在相應(yīng)工作頻率處出現(xiàn)明顯下降到-36 dB．因此,實(shí)測結(jié)果表明,在加入ENG-APSL隔離器后天線陣元之間的耦合度降了21 dB,并且在天線工作頻率(5.1 GHz)附近隔離度大于25 dB的帶寬達(dá)到5.1%．

(a) 未加載隔離器

(b) 加載隔離器圖12 加載ENG-APSL隔離器前后天線仿真與測試的S參數(shù)對比

在天線的輻射面加入金屬結(jié)構(gòu),肯定會對天線性能產(chǎn)生影響．因此,在研究工作中,在保證天線陣列引入隔離器件有效抑制互耦的前提下,同時應(yīng)該做到隔離器對天線性能的影響盡量減?。畧D13對比了加載ENG-APSL隔離器前后天線陣增益方向圖的變化情況．可見,相比于未加載隔離器情況下,加載隔離器后天線陣的E面方向圖方向性不變,但是主波束略微變窄以及旁瓣略微提升．天線陣H面方向圖無明顯變化．同時,加載隔離器前后天線陣增益均基本不變．因此,ENG-APSL隔離結(jié)構(gòu)在對微帶天線陣列單元間互耦進(jìn)行抑制的同時,天線陣的工作性能并未出現(xiàn)明顯變化．

如圖14所示,仿真了加載ENG-APSL隔離器前后兩種情況下,天線陣輻射面的電流分布．仿真時,只激勵單個天線,另一天線終端接50 Ω匹配電阻．由電流分布對比可知,加載ENG-APSL隔離器后,電流密度減小,這說明輻射面的表面波受到了抑制,從而使得天線單元間E面耦合得到降低．

圖13 加載ENG-APSL隔離器前后天線陣增益方向圖

(a) 未加載隔離器

(b) 加載隔離器圖14 加載ENG-APSL隔離器前后天線陣輻射表面電流分布

3 結(jié) 論

本文利用單負(fù)材料的電磁禁帶特性,設(shè)計并分析了ENG-APSL諧振單元．采用多點(diǎn)諧振法提升ENG-APSL結(jié)構(gòu)單元周期性陣列構(gòu)成的隔離器的禁帶帶寬．最后,將ENG-APSL隔離器加載于工作在相應(yīng)禁帶頻率的二元微帶陣列單元間,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明天線單元間距約為0.37λ0的情況下陣列E面耦合降低了21 dB,展現(xiàn)了優(yōu)良的單元間互耦抑制能力,并且在天線工作頻率附近隔離度大于25 dB的帶寬達(dá)到5.1%．另外,文中設(shè)計的ENG-APSL隔離器具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小的突出優(yōu)勢,在高密度、高性能微帶陣列研究與設(shè)計中具有良好的應(yīng)用潛能．

[1]STUTZMAN W L, THIELE G A.天線理論與設(shè)計[M].朱守正,安同一, 譯.2版.北京:人民郵電出版社, 2006:113.

[2]王永巍, 姜興, 侯軼.用于MIMO基站雙極化天線設(shè)計及陣元互耦分析[J].電波科學(xué)學(xué)報, 2010, 25(2)：373-377.

WANG Y W, JIANG X, HOU Y.Design of dual-polarized antenna used for MIMO base station and analysis of array element mutual coupling[J].Chinese journal of radio science, 2010, 25(2)：373-377.(in Chinese)

[3]張洪欣, 徐楠, 黃麗云, 等.電磁異向介質(zhì)在陣列天線中的應(yīng)用研究[J].電波科學(xué)學(xué)報, 2014, 29(4):673-677.

ZHANG H X, XU N, HUANG L Y, et al.Application of metamaterials in antenna array[J].Chinese journal of radio science, 2014, 29(4):673-677.(in Chinese)

[4]YANG F, RAHMAT-SAMII Y.Microstrip antennas integrated with electromagnetic band-gap (EBG) structures：a low mutual coupling design for array applications[J].IEEE transactions on antennas and propagation, 2003, 51(10)：2936-2946.

[5]逯貴禎, 殷紅成, 李彥霏, 等.人工電磁材料的多尺度分析[J].電波科學(xué)學(xué)報, 2012, 27(6):1124-1128.

LU G Z, YIN H C, LI Y F, et al.Multiscale analysis of metamaterial[J].Chinese journal of radio science, 2012, 27(6):1124-1128.(in Chinese)

[6]CHUNG Y, JEON S S, AHN D, et al.High isolation dual-polarized patch antenna using integrated defected ground structure[J].IEEE microwave and wireless components letters, 2004, 14(1)：4-6.

[7]崔萬照, 馬偉, 邱樂德, 等.電磁超介質(zhì)及其應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社, 2010：49.

CUI W Z, MA W, QIU L D, et al.Electromagnetic metamatrials and applications[M].Beijing：National Defense Industry Press, 2010：49.(in Chinese)

[8]曹文權(quán).新型人工電磁結(jié)構(gòu)在天線中的應(yīng)用研究[D].南京:中國人民解放軍理工大學(xué), 2014.

CAO W Q.Application condition of antennas based on metamaterial structures[D].Nanjing：PLA University of science and technology, 2014.(in Chinese)

[9]CAI T, WANG G M, LIANG J G, et al.Application of ultra-compact single negative waveguide metamaterial for a low mutual coupling patch antenna array design[J].Chinese physics letters, 2014, 31(8)：084101.

[10]XU H X, WANG G M, QI M Q.Hilbert-shaped magnetic waveguided metamaterials for electromagnetic coupling reduction of microstrip antenna array[J].IEEE transactions on magnetics, 2013, 49(4):1526-1529.

[11]XU H X, WANG G M, QI M Q, et al.Ultra-small single-negative electric metamaterial for electromagnetic coupling reduction of microstrip antenna array[J].Optics express, 2012, 20(20)：21968-21976.

[12]JIANG X, QIU Y J, PENG L.Novel metamaterial insulator for compact array isolation[C]//2014 IEEE International Conference on Signal Processing, Communications and Computing (ICSPCC).August 5-8, 2014：649-652.DOI：10.1109/ICSPCC.2014.6986274.

[13]SARABANDI K, SONG Y J.Subwavelength radio repeater system utilizing miniaturized antennas and metamaterials channel isolator[J].IEEE transactions on antennas and propagation, 2011, 59(7):2683-2691.

[14]BAENA J D, BONACHE J, MARTIN F, et al.Equivalent-circuit models for split-ring resonators and complementary split-ring resonators coupled to planar transmission lines[J].IEEE transactions on microwave theory and techniques, 2005, 53(4):1451-1461.

[15]IGREJA R, DIAS C J.Analytical evaluation of the interdigital electrodes capacitance for a multi-layered structure[J].Sensors actuators A：physical, 2004, 112(2/3)：291-301.

[16]JEDLICKA R P, POE M T, CARVER K R.Measured mutual coupling between microstrip antennas[J].IEEE transactions on antennas and propagation, 1981, 29(1):147-149.

仇玉杰 (1990-),男,江蘇人,桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院教師,碩士,研究方向?yàn)樘炀€與電磁超介質(zhì)．

姜興 (1962-),女,河北人,桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)樘炀€與電磁測量．

彭麟 (1981-),男,廣西人,桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院副教授,博士,碩士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)殡姶懦橘|(zhì)及天線．

姜祥奔 (1990-),男,湖北人,碩士研究生,研究方向?yàn)楣残侮嚵刑炀€．

Novel epsilon-negative metamaterial insulator for electromagnetic coupling reduction of antenna array

QIU Yujie JIANG Xing PENG Lin JIANG Xiangben

(GuilinUniversityofElectronicTechnology,Guilin541004,China)

The bandgap characteristic of single-negative metamaterial can be utilized to reduce electromagnetic coupling between elements of an antenna array.In this paper, a novel epsilon-negative anti-parallel-spiral-shaped (ENG-APSL) resonator is designed and investigated.The circuit model technique and wave-guide transmission method are used to analyze the electromagnetic characteristics of the resonator, and the effective parameters are also extracted.Several well engineered ENG-APSL resonators are arranged between two closely spaced (0.37λ0) rectangular patch antennas for coupling reduction.By loading the insulators, the E-plane coupling of the array is reduced by 21dB.For the operation frequencies that close to 5.1 GHz, the 25 dB isolation band-width of 5.1% is obtained.The proposed insulator also has the advantages of electrically small dimensions and simple structure.

epsilon-negative metamaterial;antenna array;mutual coupling suppression;insulator;bandwidth enhancement

仇玉杰, 姜興, 彭麟,等.新型電單負(fù)材料結(jié)構(gòu)在天線互耦抑制中的應(yīng)用[J].電波科學(xué)學(xué)報,2016,31(5):996-1003.

10.13443/j.cjors.2016043001

QIU Y J,JIANG X,PENG L, et al.Novel epsilon-negative metamaterial insulator for electromagnetic coupling reduction of antenna array[J].Chinese journal of radio science,2016,31(5):996-1003.(in Chinese).DOI:10.13443/j.cjors.2016043001

2016-04-30

國家自然科學(xué)基金(61371056 &61401110);廣西自然科學(xué)基金(2015GXNSFBA139244)

TN820.1+5

A

1005-0388(2016)05-0996-08

聯(lián)系人：姜興 E-mail：1003439204@qq.com