基于EBG结构加载的二元天线阵列隔离度提升设计

王菲

【摘要】    本文利用加載平面EBG结构抑制表面波的方式提高了二元振子天线之间的隔离度。文中以X波段微带线馈电的印刷振子天线为例，分析了当两个振子组阵时，通过在天线馈线附近加载平面EBG结构，抑制了馈线的表面波传输，从而降低了单元天线间的能量传输，提升了天线间的隔离度。对加载EBG结构和未加载EBG结构的两元阵列天线进行仿真对比分析，结果表明两种天线辐射性能基本保持不变，而加载后的两元阵列在8GHz-9.2GHz频段隔离度得到了提升，验证了该方法的有效性。

【关键字】    EBG结构    天线

引言：

阵列天线单元间的互耦效应会对系统带来很多负面影响。对于相控阵天线而言，严重的互耦会影响天线的扫描特性。对于收发分置的雷达天线，强互耦导致收发通道间的隔离度恶化，使得探测距离受到限制。因此，降低天线间的互耦效应，提升天线隔离度是非常有意义的工作。常用的方法有场对消法、带阻滤波法、去耦网络法[1]等。

电磁带隙结构（Electromagnetic Bandgap，简称 EBG）是一种周期结构，具有调控电磁波的能力，当电磁波在该结构中传播时会发生衍射现象，导致某些特定频率的电磁波无法传输，形成电磁禁带效应，称为“电磁带隙”。该种结构可以有效地针对某些特定频率的电磁波进行调控，从而实现相应的带阻传输特性。近年来，很多学者广泛研究EBG结构特性，在电磁波调控领域充分挖掘其应用性能。由于印刷电路板技术的飞速发展，平面EBG结构易于加工、实现速度快，已经广泛应用于各类天线的设计中。文献[2]中，采用多个周期型的EBG结构实现了阵列天线的隔离度提升;文献[3]中，将EBG结构用于圆极化阵列，在不改变圆极化性能的同时，提升了圆极化天线单元间的隔离度。

本文利用在微带馈电的二元振子天线中加载EBG结构的方式，通过EBG结构抑制表面波传输的电磁特性，提升了单元天线隔离度性能。首先设计了工作于X波段的周期性EBG结构，仿真优化得到其具体参数。将该结构加载于工作频段为8GHz-9.2GHz的两元阵列天线中，经过仿真分析，加载EBG结构后的两元阵列其反射系数和辐射性能均保持基本一致，而隔离度得到了显著提升。

一、EBG结构设计

常见的EBG结构有蘑菇型EBG（Mushroom-like EBG）结构、共面紧凑型EBG （UC-EBG） 结构、金属圆柱型EBG（CEBG）结构等等。本文采用圆形蘑菇型EBG结构，如图1所示，在介质层的一侧腐蚀出周期性的圆形金属贴片，另一面金属层为接地板，每个贴片单元的中心通过金属化过孔与另一面的金属接地板相连。圆形蘑菇型EBG结构，其电磁带隙特性主要由以下几个参数决定：介质板的介电常数εr，介质板高度h，EBG结构单元周期D，金属化过孔半径r，圆形金属贴片半径R。

本文所设计的EBG结构，其参数如表1所示，使用商业电磁仿真软件CST进行仿真计算，得到该周期结构的色散曲线如图2所示。由图可见，该结构尺寸在7.3-9.5GHz具备禁带特性，可用于该频段天线的设计。

二、两元阵列天线设计

为了验证EBG结构在提升天线单元间隔离度的应用效果，以两元印刷振子天线阵为例进行分析，如图3所示。图3（a）为微带线馈电的印刷振子天线，（b）为在微带馈线边缘加载EBG结构的两元阵列天线。

根据前述设计的EBG结构禁带频率，本节印刷振子天线工作频段应在8G附近。经过仿真优化，最终确定的振子单元天线参数如图4及表2所示。

三、天线仿真结果及对比

利用ANSYS Electronics Desktop软件对加载EBG结构与未加载EBG结构的二元印刷振子天线进行仿真计算，仿真结果如图5-图7。由图5所示，两天线反射系数曲线基本保持一致，工作带宽为8-9.2GHz。对比三维辐射方向图仿真结果，两天线增益基本一致，如图6所示。单元天线隔离度仿真结果如图7所示，在工作频段内，加载EBG结构的天线隔离度明显高于未加载EBG结构的天线隔离度，尤其在8.39GHz的位置隔离度提升了7dB，在9.14GHz的位置提升了6.1dB。以上结果表明，加载EBG结构的二元阵列天线其辐射性能与未加载EBG结构时基本一致，但其隔离度得到了有效提升。

四、结束语

本文利用加载EBG结构的方式设计了一个两元阵列天线，用以提高其单元天线隔离度。首先设计了工作于X波段的圆形蘑菇型EBG结构，仿真优化得到其具体参数。将该结构应用于同工作频段的两元阵列天线上，仿真结果表面在8GHz-9.2GHz频段该天线单元天线隔离度得到了较大提升的同时，其辐射性能基本保持不变。该方法可以有效应于需要提升阵列天线单元间隔离度的工程设计中。

参  考  文  献

[1]戴善江 微带天线去耦研究及其在无线通信系统中的应用  硕士论文  南京理工大学

[2] Rajo-Iglesias E，Quevedo-Teruel O，Inclan-Sanchez L. Mutual Coupling Reduction in Patch Antenna Arrays by Using a Planar EBG Structure and a Multilayer Dielectric Substrate[J].Antennas and Propagati on，2008，56（06）：1648-1655.

[3] Exposito-Dominguez G，Fernandez-Gonzalez J M，Padilla P，et al.Mutual Coupling Reduction Using EBG in Steering Antennas[J].Antennas and Wireless Propagation Letters，2012（11）：1265-1268.