陣列天線耦合抑制技術(shù)研究

水孝忠，梁洪燦，蔣凡杰

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十一研究所，上海 201802）

0 引言

陣列天線是無線系統(tǒng)應(yīng)用中不可或缺的重要部分，相對(duì)于單個(gè)天線，陣列天線可通過對(duì)陣元相位和幅度的控制來產(chǎn)生較為靈活的方向圖，以滿足不同場(chǎng)景的需求，已廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、電子對(duì)抗、無線通信、遙感等設(shè)備中。

天線組陣技術(shù)是一種不斷創(chuàng)新、與時(shí)俱進(jìn)的技術(shù)，在軍民兩用領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。但是陣列天線，尤其是小間距陣列天線面臨著互耦影響的難題，陣元間的互耦效應(yīng)導(dǎo)致陣列天線的實(shí)際性能與預(yù)期出現(xiàn)偏差，直接影響了天線的性能，會(huì)引起天線副瓣電平增高、天線增益下降、主瓣寬度展寬、有源駐波升高等，互耦問題已成為制約陣列天線性能提高的重要問題[1-3]。因此，陣列天線研制中必須考慮陣列單元間互耦的問題。耦合抑制的方法通常有2種：1）建立陣列天線的互耦系數(shù)矩陣[4]，進(jìn)行互耦補(bǔ)償；2）陣列天線設(shè)計(jì)中加入某些特殊結(jié)構(gòu)對(duì)互耦進(jìn)行抑制[5]，本文采用了陣中加載電磁帶隙（EBG）、平面吸波器、極化柵來減小陣元間互耦的方法，并對(duì)耦合抑制性能進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 陣列天線互耦分析

陣列天線陣中互耦包括內(nèi)部傳輸區(qū)互耦和外部輻射區(qū)互耦2個(gè)部分，天線陣發(fā)射狀態(tài)時(shí)，天線陣元表面不僅有饋電電流，還有來自相鄰單元的散射引起的電流，陣元電流是自身饋電和周圍陣元響應(yīng)的疊加。

設(shè)陣列天線由N個(gè)單元天線組成，單元天線電路模型等效為阻抗ZL，其內(nèi)部阻抗為Zg，饋源的激勵(lì)電壓為V g，天線陣列可以等效為圖1的多端口網(wǎng)絡(luò)。

圖1 陣列天線等效多端口網(wǎng)絡(luò)

在陣列天線中，用Z ij(i≠j)表示端口i和端口j之間的互阻抗，Zij代表端口i的自阻抗，v j代表端口j的電壓，v oj代表第端口j的開路電壓。那么，以上網(wǎng)絡(luò)關(guān)系可以用描述為[6]：

式（1）矩陣形式可簡(jiǎn)化表示為：Z0V＝V0。其中，V0為陣列天線端口的開路電壓，Z0是陣列天線用ZL歸一化后的廣義阻抗矩陣，矩陣V為陣列天線端口輸出電壓組成的矩陣。

在陣列天線中，互耦量的大小還可以用互耦系數(shù)Sij更直觀地來表示[7]：

式中，V＋j和V-i分別表示陣元入射電壓和反射電壓，Sij代表第i個(gè)陣元與第j個(gè)陣元之間的耦合系數(shù)。當(dāng)i＝j(luò)時(shí)，Sij的值為第i個(gè)陣元的自耦合系數(shù)，也就是孤立陣元輸入端的反射系數(shù)。天線陣列等效為多端口網(wǎng)絡(luò)后，進(jìn)而對(duì)陣中互耦進(jìn)行量化分析。

2 耦合抑制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 EBG結(jié)構(gòu)

EBG又稱光子晶體（photonic crystals），是一種能抑制某些頻段表面波的特殊結(jié)構(gòu)。很多研究利用EBG的電磁帶隙特性來消除各器件之間的耦合。一般來說，EBG結(jié)構(gòu)貼附在介質(zhì)基板表面，當(dāng)電磁波頻率滿足一定條件時(shí)，EBG結(jié)構(gòu)表面形成一個(gè)高阻抗面，使得表面電磁波無法繼續(xù)傳播，所以將EBG結(jié)構(gòu)加載到天線中，可消除天線結(jié)構(gòu)中所產(chǎn)生的表面波，提高天線陣陣元間隔離度。本文采用傳統(tǒng)Mushroom型EBG結(jié)構(gòu)，它是一種緊湊型的電磁帶隙結(jié)構(gòu)[8]，如圖2所示。其結(jié)構(gòu)單元由金屬貼片、介質(zhì)基板構(gòu)成。

圖2 EBG單元結(jié)構(gòu)

用C代表EBG結(jié)構(gòu)的等效電容，L代表EBG結(jié)構(gòu)的等效電感，ω0代表EBG結(jié)構(gòu)的諧振頻率，當(dāng)EBG工作于諧振頻率或者其附近某一范圍頻段時(shí)，其表面阻抗可以表示為：

由式（3）可知，當(dāng)EBG工作于諧振頻率時(shí)，表面阻抗Z值較大。因此，EBG結(jié)構(gòu)能夠有效阻止電磁波在其表面?zhèn)鞑?，達(dá)到一定頻段內(nèi)抑制表面波的目的，陣元間的互耦也得到抑制。

本文中，金屬貼片尺寸為40 mm×40 mm，介質(zhì)基板為FR4，厚度為3 mm，所設(shè)計(jì)的EBG結(jié)構(gòu)緊湊，單元尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)。文中設(shè)計(jì)工作帶寬BW＝0.5F0，百分比帶寬為60%，EBG結(jié)構(gòu)S參數(shù)仿真值如圖3所示。從S參數(shù)圖中可以看到，EBG結(jié)構(gòu)可在F0±0.5BW的工作頻帶內(nèi)將電磁波全反射回來。

圖3 EBG結(jié)構(gòu)S參數(shù)

2.2 平面吸波器結(jié)構(gòu)

平面吸波器具有吸波結(jié)果，可以用來提高天線陣陣元間隔離度。本文設(shè)計(jì)了一款加載磁性介質(zhì)材料的吸波器結(jié)構(gòu)，利用磁性材料磁損耗高的特性來實(shí)現(xiàn)寬頻帶吸波的能力。磁性材料吸波單元的結(jié)構(gòu)如圖4所示，整個(gè)單元采用旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意極化波的有效吸收。該結(jié)構(gòu)在磁性介質(zhì)上下表面加載金屬貼片，上表面金屬呈曲折線結(jié)構(gòu)，可以延長(zhǎng)電流路徑，在二維平面內(nèi)實(shí)現(xiàn)小型化。由于采用的介質(zhì)基板為磁性介質(zhì)，其獨(dú)特的磁特性可以使吸波結(jié)構(gòu)以超薄的剖面工作在P波段。

圖4 平面吸波器單元結(jié)構(gòu)

對(duì)基于磁性材料的平面吸波器單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化仿真，最終得到的單元周期為32 mm，磁介質(zhì)厚度為3 mm。平面吸波器結(jié)構(gòu)S參數(shù)仿真值如圖5所示。在F0±0.5BW的工作頻帶內(nèi)，吸波器可以實(shí)現(xiàn)低于0.3的反射系數(shù)，吸波效率高于0.9。

圖5 平面吸波器結(jié)構(gòu)S參數(shù)

2.3 極化柵結(jié)構(gòu)

極化柵能夠?qū)Υ怪庇诘臉O化電磁波進(jìn)行透射，而對(duì)平行于柵線的電磁波進(jìn)行反射，故可考慮使用極化柵結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對(duì)極化平行于陣面的電磁波進(jìn)行抑制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提升陣元間隔離度的效果。本文設(shè)計(jì)的極化柵結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 極化柵結(jié)構(gòu)

本文極化柵采用3 mm厚的FR4基板，一側(cè)加載寬度為5 mm的矩形金屬貼片，相鄰金屬貼片間隔為5 mm。極化柵結(jié)構(gòu)S參數(shù)仿真值如圖7所示。從S參數(shù)圖中可以看到，設(shè)計(jì)的極化柵對(duì)水平方向的電磁波起反射作用，對(duì)垂直方向的電磁波起透射作用。

圖7 極化柵S參數(shù)

3 天線陣列陣元耦合分析

3.1 天線單元性能

印刷蝶形天線屬于半波振子天線的變形，它是由振子天線的2個(gè)臂、印制板、天線饋電口、傳輸線組成，傳輸線的饋入阻抗為50Ω。天線模型如圖8所示，天線單元回波損耗仿真值如圖9所示，天線單元增益方向圖仿真值如圖10所示。

圖8 天線單元模型

圖9 天線單元回波損耗

圖10 天線單元增益方向圖

3.2 天線單元組陣

為了實(shí)現(xiàn)天線陣的無柵瓣電掃描，陣元間的間距d應(yīng)滿足：

式中，θ是主瓣的波束指向；λmin是高頻時(shí)的波長(zhǎng)。隨著天線陣帶寬變大，為了保證天線陣列無柵瓣電掃描，陣列天線陣元布局就越緊湊，陣元間耦合變大，對(duì)陣列電性能產(chǎn)生不利影響。

未加載耦合抑制結(jié)構(gòu)的天線陣布局如圖11所示，陣列排布為4×4。計(jì)算陣中單元1、2、3間互耦系數(shù)，S12為陣元1與陣元2間互耦系數(shù)，S23為陣元2與陣元3間互耦系數(shù)，S13為陣元1與陣元3間互耦系數(shù)。

圖11 未加載耦合抑制結(jié)構(gòu)天線陣

未加載耦合抑制結(jié)構(gòu)陣元互耦系數(shù)仿真結(jié)果如圖12所示，陣元互耦系數(shù)隨頻率增加單調(diào)遞減，陣中單元互耦系數(shù)在頻率低端較大。

圖12 未加載耦合抑制結(jié)構(gòu)陣元互耦系數(shù)

EBG、平面吸波器、極化柵三種加載結(jié)構(gòu)天線陣如圖13所示。對(duì)陣列天線進(jìn)行全波仿真，陣中單元1、2、3互耦系數(shù)仿真結(jié)果如圖14所示。三種加載結(jié)構(gòu)陣元2回波損耗如圖15所示。由仿真結(jié)果可知，相較于無加載天線陣，三種加載結(jié)構(gòu)均可改善陣元間互耦系數(shù)。

圖13 三種加載天線陣

圖14 三種加載結(jié)構(gòu)天線陣互耦系數(shù)

圖15 三種加載結(jié)構(gòu)陣元2回波損耗

EBG、平面吸波器、極化柵三種加載結(jié)構(gòu)天線陣陣元互耦系數(shù)最大值如表1所示，由表1可知，平面吸波器對(duì)陣元間耦合抑制效果最好。

表1 陣元互耦系數(shù)最大值

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了降低陣列天線陣元互耦的方法。設(shè)計(jì)了EBG、平面吸波器和極化柵三種陣中結(jié)構(gòu)加載形式，仿真表明這三種方法均可有效降低陣元間的互耦效應(yīng)。本文方法實(shí)現(xiàn)了在60%相對(duì)帶寬內(nèi)獲得陣元間互耦小于-18 dB、回波損耗小于-13.5 dB，可為寬帶天線陣研制提供參考?！?/p>