基于涡旋谐振环的人工磁导体的设计与应用

张小娟++胡欣宇

摘 要：文中提出了一种基于涡旋谐振环的人工磁导体，通过CST电磁仿真软件仿真分析了其同相反射相位特性。利用同相反射特性，将AMC结构用于抑制半波印刷天线后向辐射，取得了良好的效果。最后用交指电容取代AMC结构中谐振环的缝隙电容，降低了其谐振频率，有效解决了AMC结构的大尺寸问题。

关键词：AMC；反射相位；半波天线；交指电容

中图分类号：TP21；TN911 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）12-00-03

0 引 言

人工磁导体（Artificial Magnetic Conductor， AMC）又称为高阻抗表面[1-5]，其具有同相位反射特性，被广泛应用于波导、天线、薄吸收体等设计中。传统的人工磁导体结构包括Sievenpiper提出的蘑菇型电磁带隙（EBG）结构[2]和Itoh提出的光子带隙（PBG）结构[4]。蘑菇型EBG结构由于存在金属过孔，制作较为复杂且加工成本较高等器件；PBG结构虽然不需要过孔但其工作带宽过窄。

本文提出了一种基于金属涡旋环的新型AMC结构。相对于传统AMC结构，该结构不需要过孔，制作工艺简单，且具有较宽的工作频带（相对工作带宽约为12%）。将该AMC结构用作半波天线的反射面，可很好地抑制天线的后向辐射，且前向辐射增益提高约3 dB。同时，AMC结构与天线的距离较近，约为1/140个波长，有效降低了天线的剖面尺寸。

由于交指电容的品质因素Q值相对较高，结构紧凑，为了减小AMC结构单元的尺寸，文中用交指电容取代涡旋谐振环的缝隙电容。仿真结果表明，对于同样的单元尺寸，采用交指电容后可以使AMC结构的谐振频率降低超过30%，即设计具有同样谐振频率的AMC结构单元，使用交指电容后，单元尺寸仅为原结构的60%～70%左右。

1 AMC结构仿真与讨论

本文设计的AMC单元是在介质基板的上、下表面均刻蚀金属平板，上表面金属平板由形状相同的四根金属条排列形成涡旋谐振环，下表面为金属背板，设计的AMC几何结构及其参数如图1所示。

图1所示基板（介电常数为2.2）的单元尺寸为14 mm×14 mm。谐振环长度l为9.72 mm，宽度w为2 mm，缝隙g为0.28 mm，介质板厚度t为1.4 mm。

1.1 反射特性分析

采用CST电磁仿真软件对该AMC结构进行仿真，与xoy平面垂直的四个面设置为元胞边界条件来模拟周期结构，与z轴垂直的两个面设置开放边界并用Floquet模激励。AMC结构表面的反射相位用公式表示[6]，其中AMC（f）和PEC（f）是仿真得到的同一位置处的AMC结构和PEC结构的反射相位。

图2所示为AMC的S参数幅度和反射相位曲线，由于底部是金属板，无透射，|S21|恒为0，而|S11|恒为1，因此表明全反射。反射相位为±/2时对应的频率分别为8.44 GHz与9.57 GHz，零相位反射对应频率为9 GHz，因此该结构的同相反射带宽为12.4%。

1.2 平面波激励特性分析

AMC结构最重要的特性是平面电磁波入射到其表面时，其表面具有理想磁导体的特性，即反射的平面波相位不发生变化。通过分析驻波分布来验证其同相反射特性，波沿z轴方向传播，电场沿x轴方向，结果如图3所示。为了便于比较，同时给出了平面波照射PEC结构的驻波分布图。当频率为9 GHz时，靠近PEC板处电场近似为零，与PEC板距离约为8.5 mm（/4）处电场幅度最大；而对于AMC结构，电场在接近AMC处幅度最大为波腹点，在距其8.5 mm处为波节点。

对AMC结构与PEC结构的驻波分布图进行详细对比可以清晰地看出两者的驻波分布恰好相反。

2 AMC应用于半波印刷天线

2.1 半波印刷天线设计

设计的半波印刷天线如图4所示，该天线属于半波偶极天线的变形。天线两臂分别印制在基板上下两面。天线右臂在基板顶层，匹配阻抗经平行双线与右臂相接，调整匹配阻抗尺寸以改变天线的馈电情况，背面是天线左臂和接地板。天线工作频率约为9 GHz，仿真优化后确定天线参数：介质板介电常数为2.65（1+0.001 9 i），尺寸为42 mm×42 mm。半波天线臂长为8 mm，宽为0.5 mm，平行双线长16 mm，宽0.5 mm，匹配阻抗的尺寸为3 mm×7 mm，接地面的宽度为7 mm。

2.2 半波印刷天线加载AMC

天线背面加载金属反射面可以抑制后向辐射，但金属反射面会引入180度相位差，因此反射面和天线之间要相隔/4，从而大大增加了天线的剖面尺寸。而采用AMC结构作为天线的反射面时，由于其具有同相反射特性，天线和反射面之间不需要/4的距离，因此有效降低了天线的剖面尺寸[7]。

加载的AMC结构与印刷天线之间的距离为0.24 mm，约为1/140个波长，加载的AMC单元数目为3×3，该AMC结构如图5所示。对加载前后天线的回波损耗和辐射方向图进行对比分析，结果分别如图6和图7所示。

加载AMC结构之前，天线谐振频率（9 GHz）处|S11|为-22.41 dB，天线的两个臂沿x方向，所以E面方向图和H面方向图分别位于xoz面和yoz面。在E面的方向图是两个相同的波瓣，在H面的方向图是一个圆，说明该天线是全向辐射。

加载AMC结构之后，经对比分析可知：

（1）加载前后天线的工作频率不变，回波损耗曲线也基本保持一致。加载后|S11|为-28.8 dB，所以AMC反射板天线获得了更好的回波损耗；

（2）加载AMC结构前天线是全向辐射的，其最大增益为7.5 dB。加载AMC结构后，天线在xoz面和yoz面的后向辐射明显得到很大程度的抑制，同时天线增益变为10 dB，相较无加载时增加约2.5 dB；

（3）整个天线的剖面尺寸应为印刷天线厚度d、AMC厚度t以及天线-AMC之间的间距之和h，即d + t + h = 1.69 mm ≈ 0.05 ，而同样辐射效率的金属反射板印刷天线的剖面尺寸为0.25 ，前者仅为后者的1/5。

经过分析说明，当天线的工作频率位于人工磁导体的谐振频率范围内时，人工磁导体的反射波与天线的直接辐射波是同相叠加的。此时，天线能够获得相对较好的回波损耗，且在需要的方向上得到良好的辐射，而天线的整个剖面尺寸却可以保持在比较低的高度。

3 AMC结构小型化

根据等效电路模型，人工磁导体可以等效为电容和电感并联的谐振电路模型[8]，所以可以通过增大电感和电容来降低其频率，从而实现小尺寸的人工磁导体。当介质材料确定后，电感也基本确定了，而电容可以通过改变周期单元的结构来实现。受微波集成电路中集总电容元件的启发，本文在设计的AMC基础上按照其小型化的要求，引入交指电容（Interdigital Capacitors，IDC），实现了IDC-AMC。这种结构可以明显增加单元缝隙之间的耦合电容，从而降低谐振频率。交指电容是在有接地金属膜的介质板上敷设一对形状类似人手的金属电极以构成电容，使两极板的手指互相交叉[9]。

设计的IDC-AMC结构如图8所示。经过不断仿真分析发现，在单元结构相同的情况下，加入的交指电容大小与交指数目N、交指长度lc成正比，与交指宽度wc、交指间缝隙宽度s成反比。将图1所示的涡旋谐振环的缝隙宽度g增大为1 mm（对应的中心频率为9.8 GHz），交指电容数目N设为20，仿真得到的IDC-AMC结构的反射相位如图9所示。由此看出，谐振频率从无交指时的9.8 GHz（g=1 mm）变为6 GHz，降低了38%。因此设计具有同样谐振频率的AMC单元，若采用图8所示的结构单元，尺寸可降至原尺寸的60%左右。

4 结 语

借助CST仿真软件用涡旋谐振环、介质板、金属贴片设计了AMC结构并验证了其同相反射特性，将其应用于半波印刷天线，定量分析天线的辐射特性。结果表明，由于天线和AMC的相互作用，辐射增益相比自由空间中的天线提高了约3 dB。最后针对AMC的小型化设计出交指电容型AMC。交指电容的加入大大增加了单元间的电容值，从而使谐振频率降低，达到了设计小尺寸AMC的目的。

参考文献

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[4]C. Caloz， T. Itoh. A super-compact superbroadband tapered uniplanar pbg structure for microwave and millimeter wave applications[J].IEEE MTT-S Int. Micro-wave Symp. Dig.， 2002， 2： 1369-1372.

[5]闫敦豹，王超，高强，等.交互嵌入式人工磁导体结构[J].电波科学学报，2007，22（1）：21-26.

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