胡立忠 閭建詳 姚建國 周亮

摘 要： 通過在方形金屬貼片上構(gòu)造大量縫隙和環(huán)，改進設(shè)計了一種小型化頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，其電尺寸極小，僅為[0.063λ0×0.063λ0]（[λ0]是天線在自由空間工作波長）。采用CST軟件對這種結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)特性進行了系統(tǒng)的分析和討論，其具有良好的阻帶特性以及角度和極化穩(wěn)定性?；谠擃l率選擇表面的頻率選擇特性設(shè)計了一款二元單極子天線陣，通過在天線間加載頻率選擇表面，有效地抑制了天線間的空間波耦合，使天線間互耦下降了9.7 dB，并且天線增益提高、方向性變好。因此，該頻率選擇表面在設(shè)計高性能天線陣方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： 頻率選擇表面； 單極子天線陣； 解耦； 電磁特性

中圖分類號： TN826?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）05?0081?04

0 引 言

解耦是天線研究領(lǐng)域的一個重要分支，天線陣單元間由于近場效應(yīng)和表面波的相互作用不可避免的會產(chǎn)生耦合[1?2]。天線間的互耦可以導(dǎo)致陣元與饋電網(wǎng)絡(luò)之間阻抗失配、副瓣電平增大、陣元方向圖畸變以及掃描盲點等一系列惡劣結(jié)果。通常在設(shè)計制作天線陣時，天線單元間距需要控制在[λ02]以上來確保單元間合適的隔離度和低相關(guān)性。然而，這勢必會造成天線陣信道容量下降，并且與現(xiàn)代無線通信設(shè)備日益增長的高集成化和小型化的發(fā)展趨勢相違背。

常用的解耦方法有在多天線單元之間加入諧振槽或缺陷地結(jié)構(gòu)[3]、電磁帶隙結(jié)構(gòu)[4]、頻率選擇表面（Frequency Selective Surface，F(xiàn)SS）[5]、單負超材料[6]等各類填充結(jié)構(gòu)，利用它們的帶阻特性在天線工作頻率范圍內(nèi)形成頻率禁帶，從而實現(xiàn)降低天線單元間互耦和提升天線陣性能的目的。

本文研究分析了一種小型化頻率選擇表面，采用CST軟件對FSS的頻率響應(yīng)特性進行了系統(tǒng)的分析和討論，其具有良好的阻帶特性以及角度和極化穩(wěn)定性。利用FSS的頻率選擇特性設(shè)計了一款弱耦合緊湊型二元單極子天線陣，通過在天線間加載頻率選擇表面，天線間互耦下降了9.7 dB，解耦效果顯著，并且天線單元的遠場輻射特性得到優(yōu)化。

2 基于FSS的弱耦合二元單極子天線陣設(shè)計

利用頻率選擇表面的電磁濾波特性，通過在天線陣單元間加載頻率選擇表面可以抑制天線間的耦合，從而縮小天線單元間距并提高天線陣性能。基于這一思想，本節(jié)設(shè)計了一款小間距低耦合的二元單極子天線陣，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。兩天線間加載的是一塊4×3的FSS陣列，其中FSS采用的是上一節(jié)所設(shè)計的工作在1.9 GHz的頻率選擇表面。金屬地板的面積為60 mm×60 mm，介質(zhì)環(huán)采用的是介電常數(shù)為2.65，厚度為3 mm的介質(zhì)材料，通過參數(shù)優(yōu)化設(shè)計使天線陣與頻率選擇表面的工作頻點相一致，均為1.9 GHz。天線陣的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表4所示。

為了驗證頻率選擇表面的解耦效果，對未加載FSS的參考天線陣和加載FSS的天線陣進行了加工制作和測試，天線實物如圖6所示，這里參考天線陣所取的物理參數(shù)與所設(shè)計的FSS加載天線陣完全相同。采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N5230C對天線陣的二端口S參數(shù)進行測試，仿真和測試結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看出，仿真和測試結(jié)果吻合較好，加載FSS的天線陣與參考天線陣的S11在工作頻段均優(yōu)于-15 dB并且諧振頻點無偏移，說明頻率選擇表面的引入并未影響天線陣的阻抗匹配。測試結(jié)果顯示，通過加載FSS，天線陣的S21峰值從-9.3 dB下降到-19 dB，降幅達到9.7 dB，說明天線間的互耦得到顯著抑制，這正是因為FSS的空間濾波特性，使得電磁能量在兩天線間無法傳遞，從而減小了天線間的耦合作用。

為了研究FSS的引入對天線陣遠場輻射特性的影響，在微波暗室中對天線陣的輻射方向圖進行了測試，測試時其中一個天線單元饋電，另外一個加載50 Ω匹配負載，這樣測得的便是陣元的方向圖。圖8（a）是天線陣在1.9 GHz處的H面方向圖，它位于圖5中的[xOy]平面。FSS加載天線陣的電磁能量更集中于某一特定區(qū)域，這樣其方向性和增益更好，結(jié)果顯示加載FSS后天線陣的增益從1.08 dB增加到3.09 dB。圖8（b）是E面方向圖，它位于圖5中的[xOz]平面，同樣顯示其前向增益提高并且方向性更好。另外值得一提的是兩天線相距很近，[l2=λ08，]這對于設(shè)計小型化天線陣具有重要意義。

3 結(jié) 語

本文研究了一種小型化頻率選擇表面，分析了其電磁特性，驗證了其具有帶阻特性好、小型化程度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點?；谠揊SS的頻率選擇特性設(shè)計了一款二元單極子天線陣，通過在天線間加載頻率選擇表面，天線間耦合下降了9.7 dB，并且天線的增益提高、方向性變好。這些都說明該FSS在設(shè)計小型化、高性能天線陣中具有很好的應(yīng)用價值。

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