电磁异向介质在阵列天线中的应用研究

张洪欣 徐 楠 黄丽玉 贺鹏飞

（1.北京邮电大学 电子工程学院，北京100876；2.安全生产智能监控北京市重点实验室（北京邮电大学），北京100876；3.烟台大学 光电信息科学技术学院，山东 烟台264005；4.北邮-首铁资源网联合实验室，北京100876）

引 言

为了适应实际电磁工程的需求，在无线通信系统中通常对天线的辐射功率要求有很高的集中性［1-2］.例如，对于高精密度的雷达天线等特殊系统设备，其天线的波瓣宽度常常只有1／3度（20″）；又如无线电望远镜的天线，它们的波瓣宽度甚至可能会小于2″.另外，为了进一步提高天线的辐射性能，增加增益，抑制天线的副瓣电平，控制波束赋形参数等，可以利用天线阵来满足这些要求.然而，微带阵列天线单元之间存在互耦效应，这通常会影响天线单元的辐射特性［3］，而降低天线的辐射效率.另外，互耦导致的阵元输入阻抗也会发生变化，是引起天线性能衰减的主要原因.互耦特性对天线性能的影响主要表现为以下几点［4］：1）方向图：微带天线上的电流在互耦的作用下其分布发生了改变，导致部分辐射能量进一步耦合到其他天线单元，因此，部分耦合能量被端接负载吸收而消耗，而另一部分能量又会再次辐射，所以，天线的方向图会发生畸变.2）输入阻抗：天线的输入阻抗及其匹配程度会受到互耦的影响，阵列单元的输入阻抗会改变，将与孤立元的输入阻抗不同；由于各阵元位置导致的互阻抗不同，故各阵元的输入阻抗不相等.3）增益：在微带天线中存在热损耗以及阻抗不匹配引起的反射损耗，从而使得天线的辐射功率比发射功率要小.反射系数在互耦的作用下会发生变化，故天线的增益受到影响.

为解决互耦效应对天线的方向图、输入阻抗、增益等特性的影响，在天线中加载接地结构（Defected Ground Structure，DGS）是目前通常采用的有效方法，或者在天线中加载电磁场带隙（Electromagnetic Band Gap，EBG）结构.EBG结构往往由多个周期单元复合而成，其空间尺寸会比较大，在紧凑型微带阵列设计中一般不能满足需求［5］；而通常是通过在地板上刻槽缝的方式实现DGS结构，这往往会导致后向辐射效应，使得阵列天线的增益降低［6］.因此，为了保证天线的性能，有关互耦抑制的新型方法在紧凑微带天线阵列的结构设计中十分重要.根据最近的研究报道，电磁异向介质在天线设计中受到了业界的广泛关注［7-10］，并且其慢波效应又具有抑制表面波的作用［11-13］.因此，本文将电磁异向介质结构单元加载在天线阵列之中，以改善天线的互耦效应；研究表明，当加载电磁异向介质时，可以抑制天线单元表面波的传播，从而减小了天线单元间的互耦效应.

1 基本理论

对近场天线阵列间的互耦计算如下.假设阵列贴片单元采用同轴馈线，则两馈电贴片天线计算互耦的模型如图1所示［14-15］.

图1 微带天线互耦计算模型

根据反射系数的计算公式得

式中，a1、a2、b1、b2是电磁波的归一化电压.将入射波和反射波叠加在一起，端口的电压和电流与波的关系为

式中，Zc1和Zc2为同轴馈线的特征阻抗.

工程中常采用高斯脉冲类型的电压作为端口的激励源.为简化设计，设仿真中只在端口1加激励，端口2接50Ω匹配负载.因此，端口二的入射波为零，即a2＝0.此时式（1）为

将式（6）和（7）代入式（2）～（3），并整理得

测得了电压和电流后，就可以根据式（8）和（9）反求出回波损耗S11和互耦系数S21.

2 基于电磁异向媒质的天线阵元互耦分析

研究表明，通过增强隔离度可以有效地降低天线阵元间的相互干扰.一般影响天线间互耦程度的因素有许多，例如，天线的结构尺寸、频率、增益或者方向图、近场效应、输入阻抗、防护层材料等因素.在天线阵列单元中增加隔离装置是最常用的一般方法，可以通过隔离以达到抑制天线之间的表面耦合的目的.

2.1 基于电磁异向媒质的微带天线阵列设计

根据阵元间相对位置的不同来区分，微带阵列天线可以分为E面耦合和H面耦合两种形式，如图2所示.在E面耦合的情况下，表面波的传播方向为x方向，由于在高介电常数或者厚衬底时激发的表面波最强，所以此时互耦最为严重；在H面耦合的情况下，表面波的传播方向不沿x方向，此时散射场的耦合产生互耦效应，由于低介电常数衬底的贴片尺寸大，因此在低介电常数的条件下互耦最为严重；但是H面耦合一般没有E面严重.

图2 E面耦合和H面耦合微带贴片天线阵列

辐射单元是天线阵列的基本构成单位.本文所设计的阵列辐射单元选择了矩形微带天线，并且，选择H面耦合形式，两贴片的距离为40mm.为抑制微带阵列天线的互耦效应，在设计时，以隔离板的形式将SRR单元单向排列，并放置于两贴片天线的中间，同时垂直于两单元之间的连线处，如图3所示.其中设计的SRR环印制在厚度为0.76mm、εr为3的介质材料上.SRR阵列的组成为1×4单元.每个单元为边长为18.55mm的一个开口谐振环，其间距为2.425mm×2.91mm.

由于添加了SRR隔离板，则必然会对天线阵列的工作频点产生一定的影响；但是本文经过仿真发现其影响较小，因而对天线尺寸做细微的调整仍然可以能够使其工作在2.4GHz附近.

图3 加载SRR的微带天线模型

2.2 天线阵元的互耦抑制仿真与分析

如图4所示为未加载开口谐振环SSR之前，通过CST studio电磁仿真软件计算出的贴片阵列天线的S参数曲线.由图4可见，天线的工作频率为2.4GHz，此时天线的反射系数为S11＝-20.32 dB，在该频率下与之相对应的互耦因子为S21＝-16.30dB.同时可以看出，互耦效应在这种阵列天线单元之间比较明显.图5为阵列天线的的方向图，由此可以看出，天线的增益G为6.0dBi.E面和H面的半功率角度分别为134o和126.6o.

图4 未加载SSR时矩形微带贴片天线的互耦

图6为两单元构成的微带天线阵列在加载SRR隔离板后，由CST studio计算的S参数曲线.可见在加SRR隔离板后，天线的反射系数S11由-20.32dB变为-16.16dB，天线的匹配性能有所下降，但是在工程上仍处于可接受的范围内.此时，在谐振频率处对应的互耦因子S21由-16.30dB降为-25.1dB，可见互耦效应得到了很好的抑制效果.与图4未加载隔离板情况下的微带阵列天线相比，在谐振点处的耦合因子S21由-16.3dB降低到了-25.1dB，有8.8dB的改善，互耦抑制效果显著.可见，在天线单元间加载SRR隔离板能够很好地抑制微带阵列天线间的互耦作用.

图5 未加载SSR时微带阵列天线方向图

在加载SRR隔离板后，图7为天线的方向图.由此可以看出，贴片天线阵列的增益为5.8dBi，并且，E面和H面方向图的半功率波束角度分别改变为134.6o和125.4o.经过对比可知，加载SRR隔离板对天线阵列的方向图基本没有影响.

图7 加载SSR后微带阵列天线方向图

3 结 论

通过上述研究表明，将SRR结构单元加载于微带天线阵列的方法，能够有效地抑制微带阵列天线单元间的互耦效应.与传统的互耦抑制方法相比，本文所采用加载SRR单元的最大好处是SRR单元厚度小，可适用于在结构紧凑的阵列天线间进行互耦效应的抑制.所提出的加载SRR单元的方法，为设计低耦合、高密度高性能的微带天线阵列提供了相应的理论基础和技术支持.

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