基于磁負(fù)超材料的低互耦天線陣列設(shè)計(jì)

吳國成+朱莉+胡立忠+高向軍+王光明??

摘要： 提出一種新型磁負(fù)超材料單元， 通過采用HFSS， Matlab等軟件對(duì)其電磁特性進(jìn)行了詳細(xì)分析和討論， 結(jié)果表明其具有較好的磁負(fù)特性。 根據(jù)該磁負(fù)超材料在磁負(fù)頻段諧振產(chǎn)生傳輸阻帶這一特性， 設(shè)計(jì)了一款工作在3 GHz的同軸饋電二單元微帶天線陣。 通過在天線陣單元間加載該磁負(fù)超材料單元陣列， 使天線陣列間互耦有效降低了12.1 dB。 天線單元間距僅為λ/10（λ為天線在自由空間工作波長）， 且天線陣列的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射性能有所提高。 因此， 所設(shè)計(jì)的磁負(fù)超材料單元在設(shè)計(jì)緊湊型高性能天線陣列方面具有廣闊應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： 磁負(fù)超材料； 雙方形螺旋諧振器； 微帶天線陣列； 互耦縮減

中圖分類號(hào)： TN821+.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 1673-5048（2017）01-0050-05[SQ0]

0引言

當(dāng)前， 單個(gè)的天線已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們的需求， 多輸入多輸出（Multiple Input and Multiple Output， MIMO）系統(tǒng)能夠在不增加帶寬并保持信道可靠性和誤碼率的基礎(chǔ)上成倍提高通信系統(tǒng)的信道容量， 這使得MIMO技術(shù)成為提高數(shù)據(jù)傳輸率的重要手段[1-4]。 然而， 在MIMO天線系統(tǒng)中， 天線單元間的相互作用會(huì)對(duì)天線陣列的整體性能造成一定影響， 這是設(shè)計(jì)中不能回避的問題[5-8]。 傳統(tǒng)的天線陣設(shè)計(jì)理論為了簡化分析常常忽略天線陣單元間的互耦， 僅適用于窄帶、 大陣元間距、 小掃描角等簡單情況， 而在現(xiàn)代多功能、 大規(guī)模、 高集成陣列天線的研究與設(shè)計(jì)中， 互耦是必須考慮的一個(gè)因素[9-12]。

在天線陣列的設(shè)計(jì)中， 對(duì)待耦合的方式主要有三種：（1）補(bǔ)償耦合。 陣列單元間的相互作用會(huì)使陣列接收的信號(hào)產(chǎn)生相位或幅度失真， 對(duì)相控陣天線通過接收信號(hào)完成某些任務(wù)（如波達(dá)方向估計(jì)）來說影響很大。 成都信息綜合控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和國防科技大學(xué)的研究人員曾在分析陣列單元互耦的基礎(chǔ)上提出互耦補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ?但難以改善天線陣列的輻射特性。 （2）利用耦合。 控制耦合復(fù)雜而困難， Wheeler在分析無限電流片陣列時(shí)發(fā)現(xiàn)， 將陣列單元尺寸和單元之間的間距縮小時(shí)， 陣列單元間的強(qiáng)耦合使得整個(gè)天線陣的口徑場(chǎng)呈現(xiàn)近似平面波的連續(xù)分布， 促使整個(gè)天線陣呈現(xiàn)出超寬帶的輻射特性。 為了保證這種近似， 天線陣單元尺寸要小于最高頻率的半波長， 否則將產(chǎn)生柵瓣， 這給天線陣列和T/R組件的集成帶來很大困難。 因此， 在單元尺寸較大的情況下如何保證高頻處的輻射性能是一個(gè)挑戰(zhàn)。 （3）遏制耦合。 陣列間單元的互耦大多會(huì)破壞天線陣的輻射性能，

單元后加載背腔、 在單元間加載表面波吸收結(jié)構(gòu)可以遏制表面波， 從而抑制耦合[13-15]。

本文主要從遏制耦合的角度出發(fā)并展開研究，

通過在微帶天線陣單元間加載磁負(fù)超材料單元達(dá)到解耦的目的， 從而提高天線陣的性能。

1磁負(fù)超材料單元的設(shè)計(jì)與分析

1.1單元設(shè)計(jì)

航空兵器2017年第1期

吳國成， 等： 基于磁負(fù)超材料的低互耦天線陣列設(shè)計(jì)

本文所提出的磁負(fù)超材料單元結(jié)構(gòu)圖如圖1（a）所示， 其由兩個(gè)方形螺旋諧振器級(jí)聯(lián)組成， 稱其為DSSR（Double Square Spiral Resonator）。 采用基于有限元法的電磁仿真軟件Ansoft HFSS對(duì)提出的DSSR進(jìn)行分析和討論， 其仿真模型如圖1（b）所示。 將蝕刻有DSSR的介質(zhì)板置于空氣盒子中， 并將空氣盒子沿電場(chǎng)方向的上下表面設(shè)置為理想電壁（PEC）， 沿磁場(chǎng)方向的前后兩面設(shè)置為理想磁壁（PMC）， 沿波數(shù)k的左右兩個(gè)端面設(shè)置為波端口激勵(lì)， 構(gòu)造一個(gè)極化電磁場(chǎng)環(huán)境且磁場(chǎng)垂直于DSSR的表面。 通過仿真可以得到DSSR在這種環(huán)境中的散射特性， 進(jìn)而可以提取其本征參數(shù)。所用的介質(zhì)板以及設(shè)計(jì)的天線陣所采用的介質(zhì)板均是介電常數(shù)為2.65， 厚度為1.5 mm的聚四氟乙烯玻璃布板（F4B）。

1.2仿真分析

為了進(jìn)一步對(duì)所提出的DSSR進(jìn)行分析， DSSR的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)置如表1所示。

參數(shù)a/mmd/mmt/mm

取值3.90.40.29

DSSR的S參數(shù)如圖2（a）所示， 可以看出DSSR在3 GHz處存在一個(gè)傳輸阻帶， 這是由于DSSR在3 GHz處磁諧振產(chǎn)生的。 由于DSSR的尺寸非常電小， 僅為λ/13（λ為天線在自由空間工作波長）， 可以采用標(biāo)準(zhǔn)的等效媒質(zhì)參數(shù)提取方法來對(duì)其本征參數(shù)進(jìn)行提取。 采用Matlab軟件編程按照文獻(xiàn)[10]的方法提取得到的DSSR的本征參數(shù)圖如圖2（b）所示， 其中等效磁導(dǎo)率μ的實(shí)部和虛部在3 GHz處均為負(fù)， 而等效介電常數(shù)ε的實(shí)部和虛部皆為正， 這就有效地證明了DSSR為單負(fù)磁材料。

為了便于DSSR的設(shè)計(jì)與應(yīng)用， 采用HFSS中的參數(shù)掃描工具分別對(duì)DSSR的各結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行參數(shù)掃描仿真， 結(jié)果見圖3。 阻帶的中心頻率隨著a的增大而降低， 隨著d， t的增大而升高。 這是因?yàn)楫?dāng)a增大時(shí)， DSSR的等效電感增大， 磁諧振頻率降低； 而當(dāng)d， t增大時(shí)， DSSR的等效電感減小， 磁諧振頻率增大。 所以， 通過調(diào)整DSSR的物理尺寸可以改變其工作頻段， 因而該新型結(jié)構(gòu)具有很好的普適性。

2天線陣列的設(shè)計(jì)與結(jié)果

通過在二元天線陣列單元之間加載DSSR來抑制天線陣單元之間的耦合效應(yīng)， 從而達(dá)到縮小陣元間距、 提高天線陣性能的目的。 用來解耦的一款工作在3 GHz的同軸饋電二元微帶天線陣見圖4（a）， 將其作為參考天線陣。 最終設(shè)計(jì)的解耦天線陣見圖4（b）， 其中間加載的是2排3×4 DSSR陣列， 天線陣列的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

對(duì)所設(shè)計(jì)的參考天線陣列和DSSR加載天線陣列進(jìn)行仿真、 加工和測(cè)試。 圖5給出了這兩款天線陣列的實(shí)物加工圖， 采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀按照測(cè)量微波二端口器件的測(cè)試方法對(duì)這兩款天線陣列的S參數(shù)進(jìn)行測(cè)試， 測(cè)試結(jié)果如圖6所示。 仿真和測(cè)試結(jié)果吻合較好， 并且加載DSSR的天線陣列與參考天線陣的S11在工作頻段均優(yōu)于-15 dB， 說明磁負(fù)超材料的引入并未對(duì)天線陣列的良好阻抗匹配特性造成影響。 從測(cè)試結(jié)果可知， 天線陣列工作頻率比仿真結(jié)果略微向高頻偏移（其中作為對(duì)比的參考天線陣列偏移45 MHz ， 而加載DSSR的天線陣列偏移60 MHz）。 分析可知， 這主要是由于所用的非理想介質(zhì)板存在介電常數(shù)漂移以及在加工過程中存在不可避免的誤差引起。 通過加載DSSR， 天線陣單元間耦合系數(shù)S21的峰值從-14.3 dB下降到-26.4 dB， 降幅達(dá)到12.1 dB， 解耦效果顯著。 值得一提的是， 天

線陣單元間距只有λ/10， 這對(duì)于制作緊湊型弱耦合的天線陣具有很高的參考應(yīng)用價(jià)值。

為研究解耦對(duì)天線陣遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性的影響， 在微波暗室中對(duì)天線陣的方向圖進(jìn)行測(cè)試， 測(cè)試時(shí)其中一個(gè)天線單元饋電， 另外一個(gè)加載50 Ω匹配負(fù)載， 這樣測(cè)得的不是天線陣列的方向圖而是陣元的方向圖。 圖7給出了這兩款天線陣在兩個(gè)主輻射方向3 GHz處的方向圖測(cè)試結(jié)果， 從圖中可以看出， 加載超材料的天線陣后瓣縮小且前向增益變大， 說明天線陣的輻射性能變好。 綜上所述， DSSR的引入不僅沒有損害天線的輻射性能， 反而對(duì)天線的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性有所優(yōu)化。

3結(jié)論

本文采用HFSS， Matlab等軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的新型磁負(fù)超材料單元進(jìn)行分析和討論， 有效驗(yàn)證了其單負(fù)特性。 利用其在單負(fù)頻段諧振產(chǎn)生阻帶這一特性來抑制天線陣單元間的互耦， 通過加載磁負(fù)超材料設(shè)計(jì)了一款工作在3 GHz的二單元同軸饋電天線陣。 與參考天線陣相比， 天線間耦合實(shí)現(xiàn)了12.1 dB的縮減， 并進(jìn)一步提高了天線陣的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射性能。 所提出的單負(fù)超材料單元在設(shè)計(jì)小型化、 高性能天線陣方面具有很大應(yīng)用價(jià)值。

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