基于渦旋諧振環(huán)的人工磁導(dǎo)體的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張小娟++胡欣宇

摘 要：文中提出了一種基于渦旋諧振環(huán)的人工磁導(dǎo)體，通過CST電磁仿真軟件仿真分析了其同相反射相位特性。利用同相反射特性，將AMC結(jié)構(gòu)用于抑制半波印刷天線后向輻射，取得了良好的效果。最后用交指電容取代AMC結(jié)構(gòu)中諧振環(huán)的縫隙電容，降低了其諧振頻率，有效解決了AMC結(jié)構(gòu)的大尺寸問題。

關(guān)鍵詞：AMC；反射相位；半波天線；交指電容

中圖分類號：TP21；TN911 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）12-00-03

0 引 言

人工磁導(dǎo)體（Artificial Magnetic Conductor， AMC）又稱為高阻抗表面[1-5]，其具有同相位反射特性，被廣泛應(yīng)用于波導(dǎo)、天線、薄吸收體等設(shè)計(jì)中。傳統(tǒng)的人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括Sievenpiper提出的蘑菇型電磁帶隙（EBG）結(jié)構(gòu)[2]和Itoh提出的光子帶隙（PBG）結(jié)構(gòu)[4]。蘑菇型EBG結(jié)構(gòu)由于存在金屬過孔，制作較為復(fù)雜且加工成本較高等器件；PBG結(jié)構(gòu)雖然不需要過孔但其工作帶寬過窄。

本文提出了一種基于金屬渦旋環(huán)的新型AMC結(jié)構(gòu)。相對于傳統(tǒng)AMC結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不需要過孔，制作工藝簡單，且具有較寬的工作頻帶（相對工作帶寬約為12%）。將該AMC結(jié)構(gòu)用作半波天線的反射面，可很好地抑制天線的后向輻射，且前向輻射增益提高約3 dB。同時(shí)，AMC結(jié)構(gòu)與天線的距離較近，約為1/140個(gè)波長，有效降低了天線的剖面尺寸。

由于交指電容的品質(zhì)因素Q值相對較高，結(jié)構(gòu)緊湊，為了減小AMC結(jié)構(gòu)單元的尺寸，文中用交指電容取代渦旋諧振環(huán)的縫隙電容。仿真結(jié)果表明，對于同樣的單元尺寸，采用交指電容后可以使AMC結(jié)構(gòu)的諧振頻率降低超過30%，即設(shè)計(jì)具有同樣諧振頻率的AMC結(jié)構(gòu)單元，使用交指電容后，單元尺寸僅為原結(jié)構(gòu)的60%～70%左右。

1 AMC結(jié)構(gòu)仿真與討論

本文設(shè)計(jì)的AMC單元是在介質(zhì)基板的上、下表面均刻蝕金屬平板，上表面金屬平板由形狀相同的四根金屬條排列形成渦旋諧振環(huán)，下表面為金屬背板，設(shè)計(jì)的AMC幾何結(jié)構(gòu)及其參數(shù)如圖1所示。

圖1所示基板（介電常數(shù)為2.2）的單元尺寸為14 mm×14 mm。諧振環(huán)長度l為9.72 mm，寬度w為2 mm，縫隙g為0.28 mm，介質(zhì)板厚度t為1.4 mm。

1.1 反射特性分析

采用CST電磁仿真軟件對該AMC結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，與xoy平面垂直的四個(gè)面設(shè)置為元胞邊界條件來模擬周期結(jié)構(gòu)，與z軸垂直的兩個(gè)面設(shè)置開放邊界并用Floquet模激勵(lì)。AMC結(jié)構(gòu)表面的反射相位用公式表示[6]，其中AMC（f）和PEC（f）是仿真得到的同一位置處的AMC結(jié)構(gòu)和PEC結(jié)構(gòu)的反射相位。

圖2所示為AMC的S參數(shù)幅度和反射相位曲線，由于底部是金屬板，無透射，|S21|恒為0，而|S11|恒為1，因此表明全反射。反射相位為±/2時(shí)對應(yīng)的頻率分別為8.44 GHz與9.57 GHz，零相位反射對應(yīng)頻率為9 GHz，因此該結(jié)構(gòu)的同相反射帶寬為12.4%。

1.2 平面波激勵(lì)特性分析

AMC結(jié)構(gòu)最重要的特性是平面電磁波入射到其表面時(shí)，其表面具有理想磁導(dǎo)體的特性，即反射的平面波相位不發(fā)生變化。通過分析駐波分布來驗(yàn)證其同相反射特性，波沿z軸方向傳播，電場沿x軸方向，結(jié)果如圖3所示。為了便于比較，同時(shí)給出了平面波照射PEC結(jié)構(gòu)的駐波分布圖。當(dāng)頻率為9 GHz時(shí)，靠近PEC板處電場近似為零，與PEC板距離約為8.5 mm（/4）處電場幅度最大；而對于AMC結(jié)構(gòu)，電場在接近AMC處幅度最大為波腹點(diǎn)，在距其8.5 mm處為波節(jié)點(diǎn)。

對AMC結(jié)構(gòu)與PEC結(jié)構(gòu)的駐波分布圖進(jìn)行詳細(xì)對比可以清晰地看出兩者的駐波分布恰好相反。

2 AMC應(yīng)用于半波印刷天線

2.1 半波印刷天線設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的半波印刷天線如圖4所示，該天線屬于半波偶極天線的變形。天線兩臂分別印制在基板上下兩面。天線右臂在基板頂層，匹配阻抗經(jīng)平行雙線與右臂相接，調(diào)整匹配阻抗尺寸以改變天線的饋電情況，背面是天線左臂和接地板。天線工作頻率約為9 GHz，仿真優(yōu)化后確定天線參數(shù)：介質(zhì)板介電常數(shù)為2.65（1+0.001 9 i），尺寸為42 mm×42 mm。半波天線臂長為8 mm，寬為0.5 mm，平行雙線長16 mm，寬0.5 mm，匹配阻抗的尺寸為3 mm×7 mm，接地面的寬度為7 mm。

2.2 半波印刷天線加載AMC

天線背面加載金屬反射面可以抑制后向輻射，但金屬反射面會(huì)引入180度相位差，因此反射面和天線之間要相隔/4，從而大大增加了天線的剖面尺寸。而采用AMC結(jié)構(gòu)作為天線的反射面時(shí)，由于其具有同相反射特性，天線和反射面之間不需要/4的距離，因此有效降低了天線的剖面尺寸[7]。

加載的AMC結(jié)構(gòu)與印刷天線之間的距離為0.24 mm，約為1/140個(gè)波長，加載的AMC單元數(shù)目為3×3，該AMC結(jié)構(gòu)如圖5所示。對加載前后天線的回波損耗和輻射方向圖進(jìn)行對比分析，結(jié)果分別如圖6和圖7所示。

加載AMC結(jié)構(gòu)之前，天線諧振頻率（9 GHz）處|S11|為-22.41 dB，天線的兩個(gè)臂沿x方向，所以E面方向圖和H面方向圖分別位于xoz面和yoz面。在E面的方向圖是兩個(gè)相同的波瓣，在H面的方向圖是一個(gè)圓，說明該天線是全向輻射。

加載AMC結(jié)構(gòu)之后，經(jīng)對比分析可知：

（1）加載前后天線的工作頻率不變，回波損耗曲線也基本保持一致。加載后|S11|為-28.8 dB，所以AMC反射板天線獲得了更好的回波損耗；

（2）加載AMC結(jié)構(gòu)前天線是全向輻射的，其最大增益為7.5 dB。加載AMC結(jié)構(gòu)后，天線在xoz面和yoz面的后向輻射明顯得到很大程度的抑制，同時(shí)天線增益變?yōu)?0 dB，相較無加載時(shí)增加約2.5 dB；

（3）整個(gè)天線的剖面尺寸應(yīng)為印刷天線厚度d、AMC厚度t以及天線-AMC之間的間距之和h，即d + t + h = 1.69 mm ≈ 0.05 ，而同樣輻射效率的金屬反射板印刷天線的剖面尺寸為0.25 ，前者僅為后者的1/5。

經(jīng)過分析說明，當(dāng)天線的工作頻率位于人工磁導(dǎo)體的諧振頻率范圍內(nèi)時(shí)，人工磁導(dǎo)體的反射波與天線的直接輻射波是同相疊加的。此時(shí)，天線能夠獲得相對較好的回波損耗，且在需要的方向上得到良好的輻射，而天線的整個(gè)剖面尺寸卻可以保持在比較低的高度。

3 AMC結(jié)構(gòu)小型化

根據(jù)等效電路模型，人工磁導(dǎo)體可以等效為電容和電感并聯(lián)的諧振電路模型[8]，所以可以通過增大電感和電容來降低其頻率，從而實(shí)現(xiàn)小尺寸的人工磁導(dǎo)體。當(dāng)介質(zhì)材料確定后，電感也基本確定了，而電容可以通過改變周期單元的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。受微波集成電路中集總電容元件的啟發(fā)，本文在設(shè)計(jì)的AMC基礎(chǔ)上按照其小型化的要求，引入交指電容（Interdigital Capacitors，IDC），實(shí)現(xiàn)了IDC-AMC。這種結(jié)構(gòu)可以明顯增加單元縫隙之間的耦合電容，從而降低諧振頻率。交指電容是在有接地金屬膜的介質(zhì)板上敷設(shè)一對形狀類似人手的金屬電極以構(gòu)成電容，使兩極板的手指互相交叉[9]。

設(shè)計(jì)的IDC-AMC結(jié)構(gòu)如圖8所示。經(jīng)過不斷仿真分析發(fā)現(xiàn)，在單元結(jié)構(gòu)相同的情況下，加入的交指電容大小與交指數(shù)目N、交指長度lc成正比，與交指寬度wc、交指間縫隙寬度s成反比。將圖1所示的渦旋諧振環(huán)的縫隙寬度g增大為1 mm（對應(yīng)的中心頻率為9.8 GHz），交指電容數(shù)目N設(shè)為20，仿真得到的IDC-AMC結(jié)構(gòu)的反射相位如圖9所示。由此看出，諧振頻率從無交指時(shí)的9.8 GHz（g=1 mm）變?yōu)? GHz，降低了38%。因此設(shè)計(jì)具有同樣諧振頻率的AMC單元，若采用圖8所示的結(jié)構(gòu)單元，尺寸可降至原尺寸的60%左右。

4 結(jié) 語

借助CST仿真軟件用渦旋諧振環(huán)、介質(zhì)板、金屬貼片設(shè)計(jì)了AMC結(jié)構(gòu)并驗(yàn)證了其同相反射特性，將其應(yīng)用于半波印刷天線，定量分析天線的輻射特性。結(jié)果表明，由于天線和AMC的相互作用，輻射增益相比自由空間中的天線提高了約3 dB。最后針對AMC的小型化設(shè)計(jì)出交指電容型AMC。交指電容的加入大大增加了單元間的電容值，從而使諧振頻率降低，達(dá)到了設(shè)計(jì)小尺寸AMC的目的。

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