缺陷地结构在微带天线间互耦抑制中的运用详细讲解

1 引言

微带天线由于具有其相对于其它天线的独特优点，广泛应用于各种通信系统以及雷达、遥感勘测、导航以及生物医学等其它领域。随着信息技术的发展，需要研究和发展具有更好性能的微带天线和阵列。为了获得高的增益以及获得波束扫描或波束控制等性质，需要将离散的天线单元组成阵列。在阵列环境中，天线单元之间存在能量上的相互耦合，使天线的性能降低。通常微带贴片间的互耦是由空间波和表面波同时引起的。研究表明，当天线的介质基片厚度较小时，单元间耦合主要是通过空间波进行的，表面波的影响可以忽略不计。对于较厚的基片，表面波的影响将加大，介质基片越厚，激励起的表面波模数越多，将有更多的功率耦合到激励起的多个模式中。当两天线单元间距超过一定数值时，表面波的耦合开始起主导作用。互耦效应的存在将影响天线的方向图，输入阻抗以及阵列的增益，在天线阵的设计中必须考虑。

为了减小天线单元之间的互耦，采用了光子带隙（photonic bandgap）结构。这种结构或者是在地板上蚀洞或者是在介质中打孔，以形成对于表面波传播模式的频率阻带，从而抑制表面波，减小耦合。这种方法虽然可以提高天线的辐射效率，但要在介质中周期性的打孔，制作过程麻烦，而在地板上大量蚀刻周期图案将导致天线的放置受到限制。则利用电磁带隙材料 （EBG）的带隙特性抑制表面波的传播，降低天线互耦。EBG结构是由若干个单元组成的阵列构成，因此结构分析比较复杂。

和PBG结构类似，DGS结构也是通过在电路的接地板上刻蚀出缺陷图案（defected pattern），以改变电路衬底材料有效介电常数的分布，从而改变基于该介质上微带线的分布电感和分布电容，进而使得此类微带线具有带隙（bandgap）特性和慢波（slow-wave）特性，具有制作简单、体积小、便于集成等优点。与EBG（PBG）结构相比DGS结构的优点在于无需建立周期结构即可在某些频率点产生谐振，提供良好的带隙特性，且只需用一个简单的LC等效电路模型就可表征，可进行电路级快速分析。在同等工艺条件和性能要求上，对考虑电路尺寸而带来经济成本变动较敏感的集成电路行业而言，以及当前对无线通信设备的小型化需求，DGS结构比EBG（PBG）结构更具有竞争力。目前，该结构已被广泛应用于微波电路的分立部件设计中，如微带线、滤波器、谐振腔、放大器、振荡器、天线等。

然而据作者所知，很少有文献研究DGS对阵列天线单元之间互耦的作用。本文利用Ansoft HFSS仿真软件分析DGS的频率特性，利用电磁场仿真结果和Ansoft Designer的电路仿真结果提取其等效电路的参数值，并研究缺陷地结构对阵列天线单元之间互耦以及天线性能的影响。为充分说明DGS结构对天线性能参数的影响，文中还同时给出了具有相同结构尺寸的普通贴片天线阵列的性能参数，并将两者进行了比较。

2 DGS结构及其带隙特性

本文中设计了阻带中心频率约为6.5GHz的DGS结构。电路采用介质基板的相对介电常数为10.2，厚度为2mm，微带线为普通50Ω阻抗线，宽度为3mm。DGS结构由两个背靠背的U形槽构成，如图1所示。DGS结构参数为l1=3.3mm， w1=7.4mm， g= 4.5mm，s=1.5mm。蚀刻的单个U形槽可以等效为LC并联电路，如图2所示。改变DGS的参数也必将改变其频率特性和等效的LC参数值。

本文采用Ansoft HFSS对微带线的传输特性进行了仿真，仿真结果如图3所示。结果显示该DGS微带传输线具有很宽的阻带特性，从5.64GHz到7.26GHz损耗都大于20dB，带内最低点达到38.6dB。

DGS单元的频率特性曲线与双极点巴特沃斯低带阻滤波器的响应相似，都可由其3dB截止频率和谐振频率决定。因此，令LC并联的等效阻抗与双极点巴特沃斯带阻滤波器的阻抗相等，则可求出LC并联电路的电感值和电容值。由仿真结果提取的DGS等效电路参数值分别为：L1=1.682nH， C1=0.400pF， L2=1.747nH， and C2=0.321pF。图3是DGS单元的三维场仿真结果与其等效LC电路仿真结果的比较。仿真结果显示，两者的频率特性曲线基本一致， DGS单元可用LC并联电路等效。

图1 DGS微带线示意图

图2 DGS微带线等效电路图

3 微带阵列天线的设计与分析

高介电常数有利于减小天线单元尺寸，而增加介质厚度可以展宽带宽。但是这样也会使表面波的激励更严重，从而导致强烈的耦合以致天线性能降低。文献［10］研究了介电常数和介质厚度对微带天线单元之间耦合的影响。研究表明，当基板较厚时，微带天线阵元E面的互耦在介电常数较大时比较强烈，而H面的互耦在介电常数比较小的时候比较强烈。在这里我们选取介电常数为10.2 ，基板的厚度为2mm的基底，此时，E面的互耦明显强于H面的互耦。我们设计了一个使用同轴馈电的E面耦合的二元阵，结构如图4。微带天线单元的尺寸为：6.8mm × 4mm，两天线单元之间的距离为36.9mm （0.75lg）。

为了降低E面的耦合，我们在阵元之间引入DGS结构，当天线的辐射频率正好落在DGS的带阻频段的时候，表面波被抑制，从而减小了阵元之间的耦合。

图3 DGS单元的仿真结果

（a）

（b）

图4 二元天线阵结构图（a）俯视图（b）背视图

我们分别计算和测试了带有DGS结构和不带DGS结构两种情况下的插入损耗和回波损耗，如图5、图6所示。基板不加DGS结构的普通贴片天线阵列的工作频率为f 0= 6.04 GHz，引入DGS结构之后，天线的工作频率几乎没有偏移，这说明DGS对天线谐振频率的影响很小。从S21参数可以看出，在天线单元E面间引入DGS结构以后，天线之间的耦合明显降低。在工作频率上，天线阵元之间的耦合从没有DGS结构存在时的-16.9dB降低到了有DGS结构时的-25.9dB，减小了9dB。

图5 仿真与测试的回波损耗

图6 仿真与测试的插入损耗

这说明了DGS结构能够有效的削弱阵列单元之间的耦合作用。

为了进一步看出DGS对天线的远场辐射特性的改善作用， 图7比较了两种不同结构的阵列天线在谐振频率处的E面辐射方向图。可以看出，E面方向图的改善是明显的， 整个的波束更加收拢，第一副瓣电平的相对值减小了3dB，增益增加不是很明显，提高了大约1dB。可见该DGS结构可以降低天线阵元之间的耦合，减小旁瓣电平，提高天线的增益，从而改进天线阵的辐射性能。

4 结语

本文着重研究了一种DGS结构的带阻特性，及其对微带天线阵的影响。将其应用于微带贴片阵上，并将其与未加DGS结构的微带天线阵进行了比较。结果分析表明，该DGS结构能够明显降低天线阵元之间的耦合，增大天线的增益，对天线性能有明显的改善作用。

图7 E面仿真方向图

这种简单的DGS结构在抑制天线阵列阵元之间耦合的设计中具有很好的应用前景。