缺陷地結構在微帶天線間互耦抑制中的運用詳細講解

2020-11-25 電子發燒友

缺陷地結構在微帶天線間互耦抑制中的運用詳細講解

工程師2 發表於 2018-04-28 15:49:00

1 引言

微帶天線由於具有其相對於其它天線的獨特優點，廣泛應用於各種通信系統以及雷達、遙感勘測、導航以及生物醫學等其它領域。隨著信息技術的發展，需要研究和發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，需要將離散的天線單元組成陣列。在陣列環境中，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引起的。研究表明，當天線的介質基片厚度較小時，單元間耦合主要是通過空間波進行的，表面波的影響可以忽略不計。對於較厚的基片，表面波的影響將加大，介質基片越厚，激勵起的表面波模數越多，將有更多的功率耦合到激勵起的多個模式中。當兩天線單元間距超過一定數值時，表面波的耦合開始起主導作用。互耦效應的存在將影響天線的方向圖，輸入阻抗以及陣列的增益，在天線陣的設計中必須考慮。

為了減小天線單元之間的互耦，採用了光子帶隙（photonic bandgap）結構。這種結構或者是在地板上蝕洞或者是在介質中打孔，以形成對於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，但要在介質中周期性的打孔，製作過程麻煩，而在地板上大量蝕刻周期圖案將導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結構是由若干個單元組成的陣列構成，因此結構分析比較複雜。

和PBG結構類似，DGS結構也是通過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的分布，從而改變基於該介質上微帶線的分布電感和分布電容，進而使得此類微帶線具有帶隙（bandgap）特性和慢波（slow-wave）特性，具有製作簡單、體積小、便於集成等優點。與EBG（PBG）結構相比DGS結構的優點在於無需建立周期結構即可在某些頻率點產生諧振，提供良好的帶隙特性，且只需用一個簡單的LC等效電路模型就可表徵，可進行電路級快速分析。在同等工藝條件和性能要求上，對考慮電路尺寸而帶來經濟成本變動較敏感的集成電路行業而言，以及當前對無線通信設備的小型化需求，DGS結構比EBG（PBG）結構更具有競爭力。目前，該結構已被廣泛應用於微波電路的分立部件設計中，如微帶線、濾波器、諧振腔、放大器、振蕩器、天線等。

然而據作者所知，很少有文獻研究DGS對陣列天線單元之間互耦的作用。本文利用Ansoft HFSS仿真軟體分析DGS的頻率特性，利用電磁場仿真結果和Ansoft Designer的電路仿真結果提取其等效電路的參數值，並研究缺陷地結構對陣列天線單元之間互耦以及天線性能的影響。為充分說明DGS結構對天線性能參數的影響，文中還同時給出了具有相同結構尺寸的普通貼片天線陣列的性能參數，並將兩者進行了比較。

2 DGS結構及其帶隙特性

本文中設計了阻帶中心頻率約為6.5GHz的DGS結構。電路採用介質基板的相對介電常數為10.2，厚度為2mm，微帶線為普通50Ω阻抗線，寬度為3mm。DGS結構由兩個背靠背的U形槽構成，如圖1所示。DGS結構參數為l1=3.3mm， w1=7.4mm， g= 4.5mm，s=1.5mm。蝕刻的單個U形槽可以等效為LC並聯電路，如圖2所示。改變DGS的參數也必將改變其頻率特性和等效的LC參數值。

本文採用Ansoft HFSS對微帶線的傳輸特性進行了仿真，仿真結果如圖3所示。結果顯示該DGS微帶傳輸線具有很寬的阻帶特性，從5.64GHz到7.26GHz損耗都大於20dB，帶內最低點達到38.6dB。

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

圖1 DGS微帶線示意圖

圖2 DGS微帶線等效電路圖

3 微帶陣列天線的設計與分析

高介電常數有利於減小天線單元尺寸，而增加介質厚度可以展寬帶寬。但是這樣也會使表面波的激勵更嚴重，從而導致強烈的耦合以致天線性能降低。文獻［10］研究了介電常數和介質厚度對微帶天線單元之間耦合的影響。研究表明，當基板較厚時，微帶天線陣元E面的互耦在介電常數較大時比較強烈，而H面的互耦在介電常數比較小的時候比較強烈。在這裡我們選取介電常數為10.2 ，基板的厚度為2mm的基底，此時，E面的互耦明顯強於H面的互耦。我們設計了一個使用同軸饋電的E面耦合的二元陣，結構如圖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，我們在陣元之間引入DGS結構，當天線的輻射頻率正好落在DGS的帶阻頻段的時候，表面波被抑制，從而減小了陣元之間的耦合。

圖3 DGS單元的仿真結果

（a）

（b）

圖4 二元天線陣結構圖（a）俯視圖（b）背視圖

我們分別計算和測試了帶有DGS結構和不帶DGS結構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結構的普通貼片天線陣列的工作頻率為f 0= 6.04 GHz，引入DGS結構之後，天線的工作頻率幾乎沒有偏移，這說明DGS對天線諧振頻率的影響很小。從S21參數可以看出，在天線單元E面間引入DGS結構以後，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有DGS結構存在時的-16.9dB降低到了有DGS結構時的-25.9dB，減小了9dB。

圖5 仿真與測試的回波損耗

圖6 仿真與測試的插入損耗

這說明了DGS結構能夠有效的削弱陣列單元之間的耦合作用。

為了進一步看出DGS對天線的遠場輻射特性的改善作用， 圖7比較了兩種不同結構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， 整個的波束更加收攏，第一副瓣電平的相對值減小了3dB，增益增加不是很明顯，提高了大約1dB。可見該DGS結構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，從而改進天線陣的輻射性能。

4 結語

本文著重研究了一種DGS結構的帶阻特性，及其對微帶天線陣的影響。將其應用於微帶貼片陣上，並將其與未加DGS結構的微帶天線陣進行了比較。結果分析表明，該DGS結構能夠明顯降低天線陣元之間的耦合，增大天線的增益，對天線性能有明顯的改善作用。

圖7 E面仿真方向圖

這種簡單的DGS結構在抑制天線陣列陣元之間耦合的設計中具有很好的應用前景。

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