新型电单负材料结构在天线互耦抑制中的应用

仇玉杰 姜兴 彭麟 姜祥奔

(桂林电子科技大学信息与通信学院, 桂林 541004)



新型电单负材料结构在天线互耦抑制中的应用

仇玉杰 姜兴 彭麟 姜祥奔

(桂林电子科技大学信息与通信学院, 桂林 541004)

单负材料所具有的电磁禁带特性可应用于阵列天线中降低天线单元间的互耦．文中研究设计了一种电单负材料结构单元ENG-APSL,采用等效电路和波导传输法分析了ENG-APSL的电磁特性,并提取等效参数．然后,将基于ENG-APSL单元构成的隔离器用于抑制微带阵列单元间的互耦．研究表明,天线阵列单元间距为0.37λ0(λ0为天线工作频率波长)条件下,加载隔离器后天线阵列单元的E面耦合度降低了21 dB,并且在工作频率(5.1 GHz)附近隔离度大于25 dB的带宽达到5.1%．同时,该隔离器具有结构简单、尺寸小的突出优势．

电单负材料;阵列天线;互耦抑制;隔离器;展宽带宽

DOI 10.13443/j.cjors.2016043001

引 言

工程上,阵列天线系统中的天线单元并不是孤立的,每一个天线单元工作时都与其它单元之间存在电磁耦合,我们把这种现象称为阵列天线的互耦效应[1]．尤其在小间距阵列天线系统中,比如多入多出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)系统[2],互耦效应将对阵列天线的性能造成不利影响,比如辐射方向图失真、输入阻抗变化等[3]．在阵列天线小型化的发展趋势下,互耦问题成为制约阵列天线性能提高的关键问题．目前,应用于减小阵列天线互耦效应的主要方法之一就是在阵列天线设计中引入某些特殊结构从而对互耦进行抑制,比如电磁带隙结构[4](Electromagnetic Bandgap,EBG),缺陷地结构[5-6](Defected Ground Structure,DGS)等．文献[4]中天线单元间加入EBG结构后阵元之间的耦合降低了8 dB．但其中EBG结构需要多个周期,因而要占据较大的空间且制作工艺复杂,这样使得设计紧凑的阵列天线变得非常困难．文献[6]中将双螺旋DGS结构加载于天线背面,天线之间的耦合度降低了23 dB,单元间的互耦得到了很好的抑制．但是,DGS结构需在地板上开槽缝,而这些缝隙将泄漏电磁能量,产生后向辐射．

目前,电磁超介质中的单负材料(Single-Negative Metamaterial,SNG)因其在特殊频段内呈现的带阻电磁特性而被应用于抑制阵列天线互耦．单负材料是指材料在特殊的频段具有电单负(Epsilon-Negative,ENG)和磁单负(Mu-Negative, MNG)特性,换言之,单负材料的介电常数ε和磁导率μ有且仅有一个为负值(εμ<0),从而材料中传播常数β为0且衰减常数α大于0[7]．可见,电磁波在(SNG)中以凋落波的模式存在,因此SNG具有带阻特性[8]．文献[9-12]中设计了单负材料隔离器并将其应用于二元微带阵列天线互耦抑制．文献[10]中天线在工作频段内单元间H面耦合降低了9.74 dB,并且天线单元间距为λ0/8.08(λ0为天线工作频率波长)． 文献[9-12]中的单负材料隔离器均是应用于抑制平面微带天线H面互耦．但是,当天线单元间距一样时,E面耦合比H面耦合更强[16]．本文设计了一种基于反向螺旋(Anti-Parallel-Spiral,APSL)结构的电单负谐振单元(Epsilon-Negative Anti-Parallel-Spiral-Shaped Resonator,ENG-APSL resonator),分别利用结构的等效LC谐振电路和等效媒质参数分析ENG-APSL的电磁特性．然后利用ENG-APSL单元构造单负材料隔离器并采用多点谐振法来提高隔离器的带宽．最终将ENG-APSL隔离器应用于二元微带阵列天线单元间实现互耦抑制．在天线单元间距为0.37λ0情况下,加载ENG-APSL隔离器的天线单元间E面耦合度降低了21 dB．同时,ENG-APSL隔离器的引入并未对天线阵列性能产生明显影响．本文设计工作进行了仿真和测试,实测结果与仿真结果较为吻合．

1 单负材料隔离器设计与分析

1.1 ENG-APSL谐振单元的设计及分析

电磁超介质一般存在磁谐振特性和电谐振特性．磁谐振结构的主要代表就是开口谐振环(Slit-Ring Resonator,SRR)结构[3],在磁场的激励下结构发生磁谐振产生负磁导率．电谐振结构主要包括金属短截线、金属弯折线等．在外加电场的激励下,单元结构产生电谐振,从而在谐振频段产生负介电常数．基于这种思路,采用反向螺旋金属线(Anti-Parallel-Spiral,APSL)结构,如图1所示．为了增强结构的电谐振效果,在两条螺旋金属线起点处设计了接背面金属的过孔(vias)．为了叙述方便,将这种构造的电单负谐振单元称之为ENG-APSL．

(a) ENG-APSL单元结构

(b) ENG-APSL单元等效电路图1 ENG-APSL单元结构示意图及其等效电路

如图1 (a)所示,ENG-APSL结构为正方形,由金属螺旋线、过孔以及背面金属组合而成．该结构构建在Arlon AD260A介质板上,介电常数为2.6,损耗角正切tanδ=0.001 7,厚度h为1 mm．单元结构参数为a=4 mm,单元结构周期长度p=4.5 mm,金属线末端枝节长度le=2.2 mm,螺旋金属线宽d=0.3 mm,金属线间隙g=0.3 mm．首先利用ENG-APSL结构的等效LC电路进行分析．

ENG-APSL单元结构的等效LC电路如图1 (b)所示．当变化的磁场穿过结构时,根据镜像原理,由于结构中的过孔(vias)接地,ENG-APSL结构形成电流回路[13]．此时金属线及vias可等效为电感Ls,金属线之间的间隙可等效为电容Cs．通过计算得到Ls和Cs的值．根据公式(1)得到等效电感Ls的值:

Ls=μ0F.

(1)

式中：真空磁导率μ0=4π×10-7H/m;F=a2/p为ENG-APSL单元结构比重系数[14]．

电容Cs由螺旋金属线之间的间隙形成．首先计算出每两条金属线之间的单位长度电容值(Ci,Ce)[15]:

(2)

(3)

式中：Ce为外沿金属线与内侧金属线之间的电容值;Ci为内侧金属线之间的电容值;η为金属线比;K(k)为第一类完全椭圆积分,

(4)

因为Ci和Ce为并联,根据公式(2)得到ENG-APSL结构的单位长度等效电容C:

(5)

ENG-APSL单元TEM波导仿真模型如图2所示．采用波导激励法,电磁波入射方向为y轴方向,磁场和电场分别为x和z方向．其中,TEM波导在y轴方向分别为端口1和端口2,在x轴方向设为理想磁边界条件(Perfect Magnetic-Boundary Condition,PMC)．图3为ENG-APSL的传输特性．由图可知,在4.6 GHz到4.65 GHz的频段范围内S21达到-5 dB以下,阻碍了大部分电磁波传输,形成阻带．在4.62 GHz (f2)处出现最小传输系数,此为ENG-APSL的谐振频率．这与前文中ENG-APSL结构等效电路计算得出的谐振频率(4.96 GHz)存在微弱偏差．同时,S参数在3.3 GHz (f1)处同样出现“跃变”(在3.3 GHz处S11出现极大值,S21出现极小值),但是不能形成有效阻带．

图2 ENG-APSL单元结构TEM波导仿真模型

图3 ENG-APSL单元传输特性

图4所示为利用S参数提取法获得ENG-APSL的等效介电常数εeff和等效磁导率μeff．可见,ENG-APSL结构的磁导率实部Re(μeff)在3.3 GHz (f1)处出现了一个微弱的“抖动”,呈现出Re(μeff)为负且Re(εeff)为正的磁谐振特性．同时,介电常数实部Re(εeff)曲线在4.6 GHz处出现极大值,然后迅速下降并在4.66 GHz处出现极小值,最后上升趋于平缓．Re(εeff)在频段4.58 GHz到4.68 GHz为负值,因为频段内磁导率为正,所以该频段可称为ENG频带．ENG-APSL结构单元分别在频率f1和f2出现磁谐振与电谐振,这说明单元结构在f1和f2处都具有单负材料的阻带特性．但是,由图4可知,f1处磁谐振响应较弱,并且阻带带宽极小,难以获取满意的阻带特性．因此,ENG-APSL结构的电谐振频率f2附近的ENG频段更适合作为隔离频带．另外,通过对分析结果的比较发现,图3和图4体现的ENG-APSL单元结构的电磁特性基本是吻合一致的．这也间接说明,相比于等效LC谐振电路的分析结果,ENG-APSL单元结构利用TEM波导计算的结果更为准确与直观．

图4 ENG-APSL单元的等效媒质参数

1.2 基于ENG-APSL单元构造的隔离器的研究

图5(a)所示为由ENG-APSL单元组成的隔离器结构示意图,由1×11个ENG-APSL单元周期排列组成单层形式,周期为p=0.45 mm,末端枝节长度le=2.2 mm．同样采用TEM波导仿真模型对单层ENG-APSL隔离器进行特性分析．仿真计算得到此单层ENG-APSL隔离器的传输特性曲线,如图5(b)所示．可见,在4.68 GHz到4.71 GHz的频段内S21为-5 dB以下,隔离器呈阻带特性,阻碍了大部分电磁波的传输．ENG-APSL隔离器的谐振频率为4.69 GHz．因此,4.68 GHz到 4.71 GHz的频段范围为工作隔离频段,频段带宽为0.6%．

(a)单层ENG-APSL隔离器 (b)单层隔离器的传输特性图5 单层ENG-APSL隔离器结构示意图及其传输特性

根据第1.1节,ENG-APSL单元LC等效电路中的Ls和Cs的值由结构尺寸参数决定．因此,改变单元的参数,相应地其谐振频率也随之改变．图6给出了ENG-APSL单元结构中螺旋线末端枝节长度le对单层隔离器的谐振频点的影响,同时其它参数保持不变．由图可知,当le=1.6 mm时,谐振频率为4.76 GHz;当le=1.8 mm时,谐振频率为4.74 GHz;当le=2.4 mm时,谐振频率为 4.68 GHz．容易看出,单层ENG-APSL隔离器的谐振频率随着其金属线末端枝节长度的减小而增大．因此,通过改变le,隔离器可以分别获得相邻的谐振频率．

图6 le的变化对单层ENG-APSL隔离器谐振频率的影响

由图5(b)可知,单层ENG-APSL隔离器的隔离频宽仅为0.6%．为了提高隔离带宽,根据图6中le对谐振频点影响的结果,采用了激励多个相邻近的谐振频点的方法设计了双层和三层隔离器．结构分别如图7(b)和(c)所示,双层和三层的结构分别由2×11和3×11个ENG-APSL单元周期排列构成．经过仿真优化,与单层结构相比,双层ENG-APSL隔离器单元的le值从左至右分别为2.2 mm和1.5 mm,其它参数不变．同样地,三层ENG-APSL结构中le值分别为1.8 mm、2.2 mm、2.1 mm．

由图8可知,双层ENG-APSL隔离器的5 dB隔离频段为4.99 GHz到5.05 GHz,谐振频率为5.02 GHz;三层ENG-APSL隔离器的5 dB隔离频段为5.04 GHz到5.12 GHz,谐振频率为5.08 GHz．单层ENG-APSL隔离器的工作隔离带宽为0.6%,而双层和三层结构的带宽分别为1.2%和1.6%,可见,三者的带宽随着谐振点的增加而提高．因此采用激励多谐振点法来提高带宽是行之有效的方法．但是,相比于单层结构(谐振频点4.69 GHz),双层和三层结构的谐振频率也都发生了明显的偏移(分别上移330 MHz和390 MHz),与图5(b)呈现的情况一致．这种现象应该是由于ENG-APSL隔离器的LC等效谐振电路中的等效参数值(Ls,Cs)的下降造成的．为了直观地说明谐振频率偏移的原因,分别还仿真了ENG-APSL单元以及其构造的三种隔离器的电流分布(见图9)．

(a) 单层 (b) 双层 (c) 三层图7 三种ENG-APSL隔离器结构示意图

图8 单层、双层及三层ENG-APSL隔离器传输特性比较

根据图9(a)给出的ENG-APSL单元的电流分布,两条金属螺旋线相对应位置处的电流是等值反向的．在单元周期排列后,单元间邻近的金属线上的电流发生反向抵消现象,如图9(b)、(c)和(d)所示,从而进一步造成LC谐振电路中等效参数值下降,因此多层结构的ENG-APSL隔离器出现谐振频率上移．同时,通过增加多谐振频点方法来展宽多层ENG-APSL隔离器的隔离带宽,但是这种电流抵消造成结构等效LC电路参数的变化使得增加的谐振频点也产生了变化．

图9 ENG-APSL单元及其构成的三类隔离器的电流分布

2 ENG-APSL隔离器的应用

将三层ENG-APSL结构隔离器加载于二元微带天线阵阵元间,如图10所示．二元微带天线阵工作频率设为5.1 GHz,天线单元采用矩形微带贴片,两个贴片沿天线的E面放置,贴片尺寸为W×L(21 mm×17 mm),采用同轴馈电．单元之间的距离为D=0.37λ0,λ0为工作波长．介质板材同样选用Arlon AD260A．天线阵尺寸为60 mm×100 mm．图11所示为加载ENG-APSL隔离器的天线实物图片．

图10 加载ENG-APSL隔离器的二元微带天线阵示意图

(a)正面 (b)背面图11 加载ENG-APSL隔离器的天线阵实物

分别对加载ENG-APSL隔离器前后天线的S参数进行了仿真和测试,如图12(a)和(b)所示．由实测数据与仿真结果的比较可知,无论是参考天线阵还是加载隔离器的天线阵的实测工作频率都发生了同样的偏移现象,这应该是由于所用介质板不均匀造成的．由图12(a)可知,在未加载ENG-APSL隔离器情况下,从S21可知仿真得到的单元间耦合系数为-19 dB以及测试得到的耦合系数为-15 dB．由于加工工艺原因,实测值与仿真值相比,大概有4 dB左右的误差．由图12(b)可知,在天线加载ENG-APSL隔离器以后,无论是仿真还是测试,单元间耦合系数(S21)都有所降低．在相应的天线工作频率处,仿真结果中天线阵元之间的耦合降到为-34 dB．实测中单元间耦合系数整体低于-21 dB,并且在相应工作频率处出现明显下降到-36 dB．因此,实测结果表明,在加入ENG-APSL隔离器后天线阵元之间的耦合度降了21 dB,并且在天线工作频率(5.1 GHz)附近隔离度大于25 dB的带宽达到5.1%．

(a) 未加载隔离器

(b) 加载隔离器图12 加载ENG-APSL隔离器前后天线仿真与测试的S参数对比

在天线的辐射面加入金属结构,肯定会对天线性能产生影响．因此,在研究工作中,在保证天线阵列引入隔离器件有效抑制互耦的前提下,同时应该做到隔离器对天线性能的影响尽量减小．图13对比了加载ENG-APSL隔离器前后天线阵增益方向图的变化情况．可见,相比于未加载隔离器情况下,加载隔离器后天线阵的E面方向图方向性不变,但是主波束略微变窄以及旁瓣略微提升．天线阵H面方向图无明显变化．同时,加载隔离器前后天线阵增益均基本不变．因此,ENG-APSL隔离结构在对微带天线阵列单元间互耦进行抑制的同时,天线阵的工作性能并未出现明显变化．

如图14所示,仿真了加载ENG-APSL隔离器前后两种情况下,天线阵辐射面的电流分布．仿真时,只激励单个天线,另一天线终端接50 Ω匹配电阻．由电流分布对比可知,加载ENG-APSL隔离器后,电流密度减小,这说明辐射面的表面波受到了抑制,从而使得天线单元间E面耦合得到降低．

图13 加载ENG-APSL隔离器前后天线阵增益方向图

(a) 未加载隔离器

(b) 加载隔离器图14 加载ENG-APSL隔离器前后天线阵辐射表面电流分布

3 结 论

本文利用单负材料的电磁禁带特性,设计并分析了ENG-APSL谐振单元．采用多点谐振法提升ENG-APSL结构单元周期性阵列构成的隔离器的禁带带宽．最后,将ENG-APSL隔离器加载于工作在相应禁带频率的二元微带阵列单元间,实验结果表明天线单元间距约为0.37λ0的情况下阵列E面耦合降低了21 dB,展现了优良的单元间互耦抑制能力,并且在天线工作频率附近隔离度大于25 dB的带宽达到5.1%．另外,文中设计的ENG-APSL隔离器具有结构简单、尺寸小的突出优势,在高密度、高性能微带阵列研究与设计中具有良好的应用潜能．

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仇玉杰 (1990-),男,江苏人,桂林电子科技大学信息与通信学院教师,硕士,研究方向为天线与电磁超介质．

姜兴 (1962-),女,河北人,桂林电子科技大学信息与通信学院教授,硕士生导师,研究方向为天线与电磁测量．

彭麟 (1981-),男,广西人,桂林电子科技大学信息与通信学院副教授,博士,硕士生导师,研究方向为电磁超介质及天线．

姜祥奔 (1990-),男,湖北人,硕士研究生,研究方向为共形阵列天线．

Novel epsilon-negative metamaterial insulator for electromagnetic coupling reduction of antenna array

QIU Yujie JIANG Xing PENG Lin JIANG Xiangben

(GuilinUniversityofElectronicTechnology,Guilin541004,China)

The bandgap characteristic of single-negative metamaterial can be utilized to reduce electromagnetic coupling between elements of an antenna array.In this paper, a novel epsilon-negative anti-parallel-spiral-shaped (ENG-APSL) resonator is designed and investigated.The circuit model technique and wave-guide transmission method are used to analyze the electromagnetic characteristics of the resonator, and the effective parameters are also extracted.Several well engineered ENG-APSL resonators are arranged between two closely spaced (0.37λ0) rectangular patch antennas for coupling reduction.By loading the insulators, the E-plane coupling of the array is reduced by 21dB.For the operation frequencies that close to 5.1 GHz, the 25 dB isolation band-width of 5.1% is obtained.The proposed insulator also has the advantages of electrically small dimensions and simple structure.

epsilon-negative metamaterial;antenna array;mutual coupling suppression;insulator;bandwidth enhancement

仇玉杰, 姜兴, 彭麟,等.新型电单负材料结构在天线互耦抑制中的应用[J].电波科学学报,2016,31(5):996-1003.

10.13443/j.cjors.2016043001

QIU Y J,JIANG X,PENG L, et al.Novel epsilon-negative metamaterial insulator for electromagnetic coupling reduction of antenna array[J].Chinese journal of radio science,2016,31(5):996-1003.(in Chinese).DOI:10.13443/j.cjors.2016043001

2016-04-30

国家自然科学基金(61371056 &61401110);广西自然科学基金(2015GXNSFBA139244)

TN820.1+5

A

1005-0388(2016)05-0996-08

联系人：姜兴 E-mail：1003439204@qq.com