人工磁導體在縫隙耦合微帶天線中的應用

方超　逯貴禎　宋凱凱

(中國傳媒大學信息工程學院,北京 100024)

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人工磁導體在縫隙耦合微帶天線中的應用

方超逯貴禎宋凱凱

(中國傳媒大學信息工程學院,北京 100024)

摘要研究了一種由人工磁導體(Artificial Magnetic Conductor, AMC)構成的縫隙波導傳輸線技術在縫隙耦合微帶天線中的應用．在通信頻段,分析了構成AMC單元結構的色散特性．結果表明:在縫隙耦合微帶天線背面加入AMC,可以降低背面輻射效應,優(yōu)化天線的性能．

關鍵詞AMC;傳輸線;微帶天線

聯(lián)系人： 方超 E-mail：fangchao1009@163.com

引言

在毫米波技術中,為了克服傳統(tǒng)傳輸線的傳輸損耗問題,一種新的傳輸線技術受到了廣泛的關注．新的傳輸線技術稱為縫隙波導傳輸線,該傳輸線可以在很寬的帶寬內傳輸準橫電磁波(Transverse Electromagnetic Wave, TEM)．縫隙波導技術最早在文獻[1]中提出,作為30 GHz到THz范圍的傳輸線．傳統(tǒng)傳輸線在這個頻率范圍受到傳輸性能、器件集成、實現(xiàn)成本等方面的限制．微帶線、共面波導傳輸技術在毫米波范圍傳輸損耗很大,而波導結構與有源器件的集成受到成本的限制．為了克服毫米波應用中傳統(tǒng)傳輸線所出現(xiàn)的問題,縫隙波導傳輸技術應運而生．縫隙波導技術是在平面波導技術基礎上發(fā)展起來的一種新的傳輸線技術．最早的平面波導是由兩個平行金屬板構成,在平行板構成的波導中可以傳播垂直波導平面的電磁波．如果將平面波導中的一個導體替換為磁導體,則當平面波導之間距離小于1/4波長時,電磁波無法在波導中傳播．縫隙波導是在理想導體和理想磁導體之間引入導體傳輸線,該導體傳輸線與理想導體平面形成一個縫隙,該縫隙可以傳播準TEM波．

人工電磁材料可以通過人工方法形成所需要的電磁特性[2]．人工電磁材料技術的發(fā)展,為人工磁導體(Artificial Magnetic Conductor,AMC)的實現(xiàn)提供了技術基礎．文獻[3]研究了AMC表面的電磁特性,給出了AMC介質的表面阻抗計算公式,文獻[4]在文獻[3]的基礎上,研究了縫隙波導的色散特性,文獻[5]研究了縫隙波導的阻抗特性,文獻[6]研究縫隙波導技術在毫米波器件的應用,其中提到了在單片微波集成電路中的封裝應用．

縫隙耦合微帶天線在無線通信技術中具有廣泛的應用,但是縫隙耦合天線有一個缺點就是存在背面輻射效應,這個缺點限制了縫隙耦合天線在通信中的應用．為了克服背面輻射效應,傳統(tǒng)方法是在背面加一個空腔或反射板,但是反射板往往會產生不需要的輻射效應,空腔會產生高階模,產生不必要的諧振．本文研究AMC在縫隙耦合天線的應用,通過在縫隙耦合天線背面加入AMC,抑制平面波導電波傳播的同時,可以降低背面輻射效應．

1平面波導結構

由金屬導體組成的平面波導當間距小于1/2波長的時候,可以傳播垂直表面的TEM電磁波,并且平面波導沒有截止頻率．如果平面波導由金屬導體和磁導體組成,當波導間距小于1/4波長的時候,電磁波無法在這種平面波導中傳播．超材料技術的發(fā)展為磁導體提供了一種新的實現(xiàn)方法,文獻[4]討論了AMC表面與導體表面組成的平面波導中的電波傳播色散特性．對于由金屬絲組成的周期陣列,等效介電常數具有公式(1)的形式．

ε(ω,kz)=ε0εh[xx+yy+εzz(ω,kz)zz]

(1)

式中:

(2)

(3)

公式(3)中的a是周期陣列的周期,b是金屬絲的半徑．對于該周期結構,當金屬絲高度為1/4 波長時,金屬絲陣列與空氣界面可以被看作磁導體．文獻[4]討論了在10GHz到20GHz范圍的平面波導問題,在該文獻中,10GHz到20GHz范圍是一個電波傳播的禁帶,電磁波無法傳播．在本文的研究中,縫隙耦合天線工作在2.3GHz頻率附近,因此，需要設計在此范圍中電波無法傳播的平面波導結構．考慮到工作頻率為2.3GHz,金屬絲的半徑為2mm,高度31.25mm,周期單元的周期為10mm．為了研究該平面波導結構的色散特性,采用圖1所示的計算模型分析電波傳播的色散特性,在圖1的周期結構中,x方向與y方向為周期邊界條件,z方向為理想導體邊界條件．圖2給出了色散曲線的計算結果,從圖2可以看到,1.9GHz到4.36GHz之間是禁帶,在此范圍電磁波沒有傳播模式,這個禁帶特性滿足我們的設計要求．

圖1　計算波導傳輸色散特性的周期結構單元

圖2　周期結構色散曲線

2縫隙耦合微帶天線

縫隙耦合微帶天線技術將饋線和微帶天線單元實現(xiàn)了電氣隔離,它們之間通過接地板之間的縫隙進行耦合．在縫隙耦合微帶天線技術中,饋線和微帶天線單元之間沒有直接的電氣連接,因此可以對饋線和天線單元分別進行優(yōu)化．通常最佳的耦合孔徑為0.141λ×0.019λ．圖3是一個工作在2.3GHz的縫隙耦合微帶天線,在該微帶天線的饋線一側,加有人工磁導體,人工磁導體與金屬地面形成了平面波導結構．根據上一節(jié)對平面波導結構的分析,可以知道該結構在2.3GHz不能傳輸電磁波,因此抑制平面波導電磁波傳播的同時,降低了背面輻射效應．縫隙耦合微帶天線的結構尺寸分別為:縫隙耦合微帶天線單元尺寸y方向寬30mm,x方向長40mm,耦合縫隙的尺寸為14mm長,1.55mm寬,介質基板介電常數2.2,微帶天線與金屬地面距離1.6mm,饋線與地面距離1.6mm,人工磁導體結構尺寸與第1節(jié)討論的結構尺寸相同．

圖3　縫隙耦合天線下加AMC的天線結構

3結果與討論

利用AMC與金屬導體的平面波導結構的傳輸特性,設計了如圖3所示的縫隙耦合微帶天線結構．由于該結構計算未知變量數目很大,采用時域有限差分方法對該結構進行了分析仿真,仿真結果為圖4與圖5所示．圖4給出加有AMC和沒有加AMC的反射系數隨頻率變化的曲線,從圖4可以看到,饋線的匹配特性沒有因為加有AMC而變壞,兩者具有相同的變化規(guī)律,只是最佳匹配頻率位置稍有一些偏移,產生頻率偏移的原因是由于AMC的加入引進了一些寄生的電抗分量,在實際中可以通過調節(jié)金屬絲周期陣列的尺寸進行改進,圖4給出了調節(jié)之后的實驗結果,可以和仿真結果匹配得很好．

圖4　加入AMC縫隙耦合天線和未加AMC縫隙耦合天線的反射系數隨頻率變化曲線對比圖

圖5給出了天線輻射特性的比較,圖5(a)是在x-y平面的天線增益,圖5(b)是在y-z平面的天線增益,其中實線為加了AMC后的增益曲線,虛線是沒有加AMC后的增益曲線,從輻射增益方向圖可以看到,加了AMC以后,天線增益有一個很小的增加．同時,背向輻射大大減少,達到了使用AMC的預期設計目標．在仿真的基礎上進行了實物的加工和測量,如圖6所示,天線增益的實驗結果與仿真結果吻合得很好．

(a) x-z平面的天線增益曲線

(b) y-z平面的天線增益曲線(實線為加了AMC，虛線為未加AMC)圖5　天線增益比較

圖6　實物效果

由以上結果可知,通過在縫隙耦合天線背面加入AMC,可以達到抑制平面波導電波傳播、降低背面輻射效應的效果,實驗結果符合最初設想．本研究也存在一些缺點,例如:針狀AMC不易加工,體積較大等,未來可以采用平面磁導體取代．

參考文獻

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方超(1985-)，男，湖北人，中國傳媒大學博士研究生，主要研究方向為人工電磁材料、天線理論.

逯貴禎(1958-)，男，北京人，中國傳媒大學教授，博士生導師，主要研究方向為計算電磁學、人工電磁材料、天線設計、電磁兼容.

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Design and analysis of aperture-coupled microstrip

antenna with artificial magnetic conductor

FANG ChaoLU GuizhenSONG Kaikai

(InformationEngineeringSchool,CommunicationUniversityofChina,Beijing100024,China)

AbstractThe application of the slot waveguide transmission line using in the aperture of coupled microstrip antenna is studied. The dispersion characteristics of the artificial magnetic conductor (AMC) unit are analyzed in the communication bands. The result shows that the aperture of coupled microstrip antenna with AMC on the back can reduce the radiation effect from the back in order to optimize the performance of the antenna.

Key wordsartificial magnetic conductor; transmission line; microstrip antenna

作者簡介

收稿日期：2014-12-25

中圖分類號TN826

文獻標志碼A

文章編號1005-0388(2015)06-1218-04