新型磁负材料结构在微带阵列天线互耦抑制中的应用

田 畅，李思敏，曹卫平

(桂林电子科技大学 天线与射频研究中心，广西 桂林 541004)

0 引言

微带相控阵天线因结构简单、体积小、重量轻和成本低等众多优点，近年来在军事及民用通信中得到了广泛应用。然而当微带阵列天线单元间距较小时，相邻天线单元间的电磁辐射会产生强烈的互耦效应，这将导致单元输入阻抗改变、极化特性恶化和辐射方向图失真等诸多问题。

目前，为了抑制阵列天线单元间的互耦效应，主要采用在阵列天线设计中引入特殊结构，如加载电磁带隙结构(EBG)[1-4]和引入缺陷地结构(DGS)[5-7]等方式。但是EBG结构需要多个周期而且结构复杂，不利于小型化；DGS结构需要在地板上刻蚀槽缝将引起电磁能量向后向辐射，导致阵列增益降低。

电磁超介质中的单负材料(Single-Negative Metamaterial，SNG)因其在谐振频段内呈现的带阻电磁特性而逐渐受到人们重视。单负材料是指在特殊频段具有电负(Epsilon-Negative，ENG)和磁负(Mu-Negative，MNG)特性的材料结构。也就是说，单负材料的介电常数ε和磁导率μ有且仅有一个为负，即εμ<0，从而衰减常数α>0且传播常数β=0[8]，电磁波在SNG中以衰减波的模式存在，使得SNG具有带阻特性。因此，可将SNG应用于阵列天线的互耦抑制。

本文利用开口谐振环在谐振频率附近会产生负磁导率的特性，通过在微带金属外环内额外增加一个金属内环来提高电路等效电感与等效电容，构建了新型磁负材料结构，从而达到降低谐振频率的目的。在很好地抑制微带阵列天线互耦前提下实现了小型化。

1 磁单负材料去耦结构分析与设计

1.1 MNG单元结构特性分析

电磁超介质一般存在磁谐振特性和电谐振特性[9]。基于开口谐振环(Slit Ring Resonator，SRR)[10-11]演变的结构在磁场的激励会产生环电流，此时可将其等效为一个磁偶极子来抑制外加的磁场，故在谐振频点附近会产生负的磁导率(μ<0)；而金属短截线、金属弯折线等在外加电场的激励下多呈现电谐振特性产生负介电常数(ε<0)[12]。基于这种思路设计了基于SRR的MNG单元结构，如图1所示。

图1 MNG单元结构及其等效电路

MNG单元结构在传统SRR基础上，通过额外增加一个内环并通过金属短接线将2个内环与外环相连接组合而成，如图1(a)所示。当变化的磁场穿过该结构时，此结构可等效为如图1(b)所示的谐振回路，L0和C0分别为外金属环结构自身等效电感与切槽开口处对应的等效电容，L1和C1分别为内金属环自身等效电感与切槽开口处对应的等效电容，R为整体等效电阻。此MNG单元结构与传统SRR相比，通过连接两内环增大了整体等效电感L与等效电容C，理论上降低了谐振频率，实现了小型化。

将该结构构建在介电常数εr为2.65的F4B聚四氟乙烯介质板上，损耗角正切tanδ=0.001 7，厚度h=0.8 mm。采用波导仿真器分析方法，研究图1所示的结构在上述尺寸下对应的传输特性，MNG单元结构波导仿真模型如图2所示。优化各参数：介质板长b=6 mm；外环宽a1=4.7 mm，外环长b1=5 mm，外环线宽w1=0.3 mm，外环开口长度g1=0.6 mm；内环宽a2=3 mm，内环长b2=1.6 mm，内环线宽w2=0.3 mm，内环开口长g2=0.1 mm，内环间距g3=0.2 mm，内外环金属线宽w3=0.3 mm。

图2 MNG单元结构波导仿真模型

电磁波入射方向为y轴方向，与此垂直的2个面设为激励端口；电场和磁场分别为x轴和z轴方向，与x轴垂直的2个面设为理想电边界条件(Perfect Electric-Boundary Condition，PEC)，与z轴垂直的2个面设为理想磁边界条件(Perfect Magnetic-Boundary Condition，PMC)。

于是得到如图3所示的传输特性曲线，以及根据图3数据利用S参数提取法获得的如图4所示的MNG单元结构的等效媒质参数曲线。

图3 MNG单元结构传输特性曲线

根据图3和图4可知，在4.65～4.75 GHz的频段范围内S21均降到-10 dB以下，在中心频点4.7 GHz附近更是达到了-24 dB，并且中心频点附近磁导率实部Re(μeff)为负，介电常数实部Re(εeff)为正，产生了磁谐振。

图4 MNG单元结构等效媒质参数曲线

1.2 基于MNG单元构造的周期去耦结构

将1×9个MNG单元排列成如图5所示的单层周期去耦结构，周期Px=5 mm，同样采用TEM波导仿真模型对单层MNG周期去耦结构进行特性分析，得到如图6所示的单层MNG周期去耦结构的传输特性曲线。

图5 MNG单层周期去耦结构

图6 MNG单层周期去耦结构传输特性曲线

根据图6仿真结果可知，1×9 MNG周期结构在4.69 GHz附近产生了强烈的磁谐振，谐振点较MNG单元磁谐振点4.7 GHz向低频方向略有偏移，并且在4.25 GHz附近出现了一个新的谐振点。主要是由于随着MNG单元数量的增加，其相互之间带来的耦合造成。总的来说，在中心频点4.7 GHz的频带范围内，该周期结构产生了强烈的磁谐振，阻碍了大部分电磁波在此结构中的传输，展现了其带阻特性。

2 MNG结构抑制微带阵列天线互耦的验证

微带阵列天线中，当介质基片较厚时，容易在微带衬底中激励起表面波，该表面波是微带阵列天线单元间产生互耦效应的主要来源。所以可通过抑制表面波的传播即可有效降低微带阵列天线单元间的互耦，所以本文选用了h=0.8 mm的介质板。根据文献[13]可知，微带阵列沿天线单元E面方向排列时表面波传播能力最强，因此只讨论E面耦合的微带天线单元间的互耦抑制问题[14-15]，并设计了如图7所示的模型。

图7 加载MNG周期去耦结构的微带天线阵示意(俯视图和正视图)

本模型选用2个完全相同的微带天线沿E面方向排列，单元工作频率均为4.7 GHz，单元间距d0=6 mm(约为0.153λ0)。介质板尺寸100 mm×50 mm，天线尺寸17.1 mm×18.9 mm，为减小整体尺寸本文选用了底部同轴馈电，加载的MNG周期去耦结构垂直放置于两天线中间，底面与介质基板相连。

为验证MNG周期去耦结构的去耦效果，首先对加载前后的微带二元阵反射系数S11与插入损耗S21进行仿真对比，结果如图8所示。

从图8可知，加载周期去耦结构之后，微带天线的谐振点无明显变化，这说明该去耦结构的引入对天线的工作频点和带宽未产生明显影响。但是加载去耦结构后S21得到很大程度的降低，从仿真结果来看，在天线谐振点即4.7 GHz频点处，S21由加载前的-15.8 dB降低到加载后的-54.6 dB，减小了38.8 dB，阵列天线单元间的隔离度得到很大提升。

图8 加载MNG周期去耦结构前后微带二元阵S参数对比

加载MNG周期去耦结构前后天线阵E面及H面方向图对比如图9所示。

图9 加载MNG周期去耦结构前后天线阵方向图对比

根据仿真结果可见，加载MNG周期去耦结构后天线方向图虽然在某些角度有稍微的波动外，整体上与参考天线阵保持着高度的一致。可以说，此周期去耦结构在很大程度上提高了单元间隔离度的同时并未对天线远场造成明显影响，很好地实现了微带阵列天线间的互耦抑制。

为了进一步证明MNG周期去耦结构对微带阵列天线单元间互耦抑制作用，以及更加直观地展现其互耦抑制的效果，接下来将在微带二元阵中只激励单个天线A1，而另一个天线A2终端接50 Ω匹配电阻得到加载MNG周期去耦结构前后天线单元表面电流变化的仿真示意图，如图10所示。图10(a)显示了加载MNG周期去耦结构前，只对天线A1馈电而天线A2端接匹配负载时，天线A2上产生了较大的耦合电流，而图10(b)显示了加载MNG周期去耦结构后，天线A2上的耦合电流明显减小。这也更进一步证明此MNG周期结构具有非常好的互耦抑制效果。

图10 加载MNG周期去耦结构前后天线阵单元表面电流

3 结束语

本文利用单负材料的电磁禁带特性，基于传统的SRR设计并分析了MNG谐振单元，并将由其构成的1×9周期去耦结构加载于工作在相应禁带频率的微带二元阵单元中间。仿真结果表明，按E面方向排列的微带阵列在天线单元边到边间距约为0.153λ0时，耦合度降低了约38.8 dB，展现了优良的单元间互耦抑制能力。同时，本文设计的磁负结构具有尺寸小、结构简单以及剖面低等特性，在高密度、高性能的微带阵列天线的研究与设计中将具有很好的应用潜能。

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