缺陷地結(jié)構(gòu)在微帶天線間互耦抑制中的運(yùn)用

微帶天線由于具有其相對(duì)于其它天線的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種通信系統(tǒng)以及雷達(dá)、遙感勘測(cè)、導(dǎo)航以及生物醫(yī)學(xué)等其它領(lǐng)域。隨著信息技術(shù)的發(fā)展,需要研究和發(fā)展具有更好性能的微帶天線和陣列。為了獲得高的增益以及獲得波束掃描或波束控制等性質(zhì)，需要將離散的天線單元組成陣列。在陣列環(huán)境中，天線單元之間存在能量上的相互耦合，使天線的性能降低。通常微帶貼片間的互耦是由空間波和表面波同時(shí)引起的。研究表明，當(dāng)天線的介質(zhì)基片厚度較小時(shí)，單元間耦合主要是通過(guò)空間波進(jìn)行的，表面波的影響可以忽略不計(jì)。對(duì)于較厚的基片，表面波的影響將加大，介質(zhì)基片越厚，激勵(lì)起的表面波模數(shù)越多，將有更多的功率耦合到激勵(lì)起的多個(gè)模式中。當(dāng)兩天線單元間距超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，表面波的耦合開(kāi)始起主導(dǎo)作用?；ヱ钚?yīng)的存在將影響天線的方向圖，輸入阻抗以及陣列的增益，在天線陣的設(shè)計(jì)中必須考慮。

為了減小天線單元之間的互耦，采用了光子帶隙(photonic bandgap)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)或者是在地板上蝕洞或者是在介質(zhì)中打孔，以形成對(duì)于表面波傳播模式的頻率阻帶，從而抑制表面波，減小耦合。這種方法雖然可以提高天線的輻射效率，但要在介質(zhì)中周期性的打孔，制作過(guò)程麻煩，而在地板上大量蝕刻周期圖案將導(dǎo)致天線的放置受到限制。則利用電磁帶隙材料 (EBG)的帶隙特性抑制表面波的傳播，降低天線互耦。EBG結(jié)構(gòu)是由若干個(gè)單元組成的陣列構(gòu)成，因此結(jié)構(gòu)分析比較復(fù)雜。

和PBG結(jié)構(gòu)類似，DGS結(jié)構(gòu)也是通過(guò)在電路的接地板上刻蝕出缺陷圖案(defected pattern)，以改變電路襯底材料有效介電常數(shù)的分布，從而改變基于該介質(zhì)上微帶線的分布電感和分布電容，進(jìn)而使得此類微帶線具有帶隙(bandgap)特性和慢波(slow-wave)特性，具有制作簡(jiǎn)單、體積小、便于集成等優(yōu)點(diǎn)。與EBG(PBG)結(jié)構(gòu)相比DGS結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)需建立周期結(jié)構(gòu)即可在某些頻率點(diǎn)產(chǎn)生諧振，提供良好的帶隙特性，且只需用一個(gè)簡(jiǎn)單的LC等效電路模型就可表征，可進(jìn)行電路級(jí)快速分析。在同等工藝條件和性能要求上，對(duì)考慮電路尺寸而帶來(lái)經(jīng)濟(jì)成本變動(dòng)較敏感的集成電路行業(yè)而言，以及當(dāng)前對(duì)無(wú)線通信設(shè)備的小型化需求，DGS結(jié)構(gòu)比EBG(PBG)結(jié)構(gòu)更具有競(jìng)爭(zhēng)力。目前，該結(jié)構(gòu)已被廣泛應(yīng)用于微波電路的分立部件設(shè)計(jì)中，如微帶線、濾波器、諧振腔、放大器、振蕩器、天線等。

然而據(jù)作者所知，很少有文獻(xiàn)研究DGS對(duì)陣列天線單元之間互耦的作用。本文利用Ansoft HFSS仿真軟件分析DGS的頻率特性,利用電磁場(chǎng)仿真結(jié)果和Ansoft Designer的電路仿真結(jié)果提取其等效電路的參數(shù)值，并研究缺陷地結(jié)構(gòu)對(duì)陣列天線單元之間互耦以及天線性能的影響。為充分說(shuō)明DGS結(jié)構(gòu)對(duì)天線性能參數(shù)的影響，文中還同時(shí)給出了具有相同結(jié)構(gòu)尺寸的普通貼片天線陣列的性能參數(shù)，并將兩者進(jìn)行了比較。

2 DGS結(jié)構(gòu)及其帶隙特性

本文中設(shè)計(jì)了阻帶中心頻率約為6.5GHz的DGS結(jié)構(gòu)。電路采用介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)為10.2，厚度為2mm，微帶線為普通50Ω阻抗線，寬度為3mm。DGS結(jié)構(gòu)由兩個(gè)背靠背的U形槽構(gòu)成，如圖1所示。DGS結(jié)構(gòu)參數(shù)為l1=3.3mm, w1=7.4mm, g= 4.5mm，s=1.5mm。蝕刻的單個(gè)U形槽可以等效為L(zhǎng)C并聯(lián)電路，如圖2所示。改變DGS的參數(shù)也必將改變其頻率特性和等效的LC參數(shù)值。

本文采用Ansoft HFSS對(duì)微帶線的傳輸特性進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖3所示。結(jié)果顯示該DGS微帶傳輸線具有很寬的阻帶特性，從5.64GHz到7.26GHz損耗都大于20dB，帶內(nèi)最低點(diǎn)達(dá)到38.6dB。

DGS單元的頻率特性曲線與雙極點(diǎn)巴特沃斯低帶阻濾波器的響應(yīng)相似,都可由其3dB截止頻率和諧振頻率決定。因此,令LC并聯(lián)的等效阻抗與雙極點(diǎn)巴特沃斯帶阻濾波器的阻抗相等,則可求出LC并聯(lián)電路的電感值和電容值。由仿真結(jié)果提取的DGS等效電路參數(shù)值分別為：L1=1.682nH, C1=0.400pF, L2=1.747nH, and C2=0.321pF。圖3是DGS單元的三維場(chǎng)仿真結(jié)果與其等效LC電路仿真結(jié)果的比較。仿真結(jié)果顯示,兩者的頻率特性曲線基本一致, DGS單元可用LC并聯(lián)電路等效。

圖1 DGS微帶線示意圖

圖2 DGS微帶線等效電路圖

3 微帶陣列天線的設(shè)計(jì)與分析

高介電常數(shù)有利于減小天線單元尺寸，而增加介質(zhì)厚度可以展寬帶寬。但是這樣也會(huì)使表面波的激勵(lì)更嚴(yán)重，從而導(dǎo)致強(qiáng)烈的耦合以致天線性能降低。文獻(xiàn)[10]研究了介電常數(shù)和介質(zhì)厚度對(duì)微帶天線單元之間耦合的影響。研究表明,當(dāng)基板較厚時(shí)，微帶天線陣元E面的互耦在介電常數(shù)較大時(shí)比較強(qiáng)烈，而H面的互耦在介電常數(shù)比較小的時(shí)候比較強(qiáng)烈。在這里我們選取介電常數(shù)為10.2 ,基板的厚度為2mm的基底，此時(shí)，E面的互耦明顯強(qiáng)于H面的互耦。我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)使用同軸饋電的E面耦合的二元陣，結(jié)構(gòu)如圖4。微帶天線單元的尺寸為：6.8mm × 4mm，兩天線單元之間的距離為36.9mm (0.75lg)。

為了降低E面的耦合，我們?cè)陉囋g引入DGS結(jié)構(gòu)，當(dāng)天線的輻射頻率正好落在DGS的帶阻頻段的時(shí)候，表面波被抑制，從而減小了陣元之間的耦合。

圖3 DGS單元的仿真結(jié)果

(a)

(b)

圖4 二元天線陣結(jié)構(gòu)圖(a)俯視圖(b)背視圖我們分別計(jì)算和測(cè)試了帶有DGS結(jié)構(gòu)和不帶DGS結(jié)構(gòu)兩種情況下的插入損耗和回波損耗，如圖5、圖6所示。基板不加DGS結(jié)構(gòu)的普通貼片天線陣列的工作頻率為f 0= 6.04 GHz，引入DGS結(jié)構(gòu)之后，天線的工作頻率幾乎沒(méi)有偏移，這說(shuō)明DGS對(duì)天線諧振頻率的影響很小。從S21參數(shù)可以看出，在天線單元E面間引入DGS結(jié)構(gòu)以后，天線之間的耦合明顯降低。在工作頻率上，天線陣元之間的耦合從沒(méi)有DGS結(jié)構(gòu)存在時(shí)的-16.9dB降低到了有DGS結(jié)構(gòu)時(shí)的-25.9dB,減小了9dB。

圖5 仿真與測(cè)試的回波損耗

圖6 仿真與測(cè)試的插入損耗

這說(shuō)明了DGS結(jié)構(gòu)能夠有效的削弱陣列單元之間的耦合作用。

為了進(jìn)一步看出DGS對(duì)天線的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性的改善作用, 圖7比較了兩種不同結(jié)構(gòu)的陣列天線在諧振頻率處的E面輻射方向圖。可以看出，E面方向圖的改善是明顯的, 整個(gè)的波束更加收攏,第一副瓣電平的相對(duì)值減小了3dB，增益增加不是很明顯，提高了大約1dB?？梢?jiàn)該DGS結(jié)構(gòu)可以降低天線陣元之間的耦合，減小旁瓣電平，提高天線的增益，從而改進(jìn)天線陣的輻射性能。

4 結(jié)語(yǔ)

本文著重研究了一種DGS結(jié)構(gòu)的帶阻特性，及其對(duì)微帶天線陣的影響。將其應(yīng)用于微帶貼片陣上，并將其與未加DGS結(jié)構(gòu)的微帶天線陣進(jìn)行了比較。結(jié)果分析表明，該DGS結(jié)構(gòu)能夠明顯降低天線陣元之間的耦合，增大天線的增益，對(duì)天線性能有明顯的改善作用。

圖7 E面仿真方向圖

這種簡(jiǎn)單的DGS結(jié)構(gòu)在抑制天線陣列陣元之間耦合的設(shè)計(jì)中具有很好的應(yīng)用前景。