田 暢，李思敏，曹衛(wèi)平

(桂林電子科技大學(xué) 天線與射頻研究中心，廣西 桂林 541004)

0 引言

微帶相控陣天線因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕和成本低等眾多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在軍事及民用通信中得到了廣泛應(yīng)用。然而當(dāng)微帶陣列天線單元間距較小時(shí)，相鄰天線單元間的電磁輻射會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的互耦效應(yīng)，這將導(dǎo)致單元輸入阻抗改變、極化特性惡化和輻射方向圖失真等諸多問(wèn)題。

目前，為了抑制陣列天線單元間的互耦效應(yīng)，主要采用在陣列天線設(shè)計(jì)中引入特殊結(jié)構(gòu)，如加載電磁帶隙結(jié)構(gòu)(EBG)[1-4]和引入缺陷地結(jié)構(gòu)(DGS)[5-7]等方式。但是EBG結(jié)構(gòu)需要多個(gè)周期而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于小型化；DGS結(jié)構(gòu)需要在地板上刻蝕槽縫將引起電磁能量向后向輻射，導(dǎo)致陣列增益降低。

電磁超介質(zhì)中的單負(fù)材料(Single-Negative Metamaterial，SNG)因其在諧振頻段內(nèi)呈現(xiàn)的帶阻電磁特性而逐漸受到人們重視。單負(fù)材料是指在特殊頻段具有電負(fù)(Epsilon-Negative，ENG)和磁負(fù)(Mu-Negative，MNG)特性的材料結(jié)構(gòu)。也就是說(shuō)，單負(fù)材料的介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ有且僅有一個(gè)為負(fù)，即εμ<0，從而衰減常數(shù)α>0且傳播常數(shù)β=0[8]，電磁波在SNG中以衰減波的模式存在，使得SNG具有帶阻特性。因此，可將SNG應(yīng)用于陣列天線的互耦抑制。

本文利用開(kāi)口諧振環(huán)在諧振頻率附近會(huì)產(chǎn)生負(fù)磁導(dǎo)率的特性，通過(guò)在微帶金屬外環(huán)內(nèi)額外增加一個(gè)金屬內(nèi)環(huán)來(lái)提高電路等效電感與等效電容，構(gòu)建了新型磁負(fù)材料結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到降低諧振頻率的目的。在很好地抑制微帶陣列天線互耦前提下實(shí)現(xiàn)了小型化。

1 磁單負(fù)材料去耦結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

1.1 MNG單元結(jié)構(gòu)特性分析

電磁超介質(zhì)一般存在磁諧振特性和電諧振特性[9]?；陂_(kāi)口諧振環(huán)(Slit Ring Resonator，SRR)[10-11]演變的結(jié)構(gòu)在磁場(chǎng)的激勵(lì)會(huì)產(chǎn)生環(huán)電流，此時(shí)可將其等效為一個(gè)磁偶極子來(lái)抑制外加的磁場(chǎng)，故在諧振頻點(diǎn)附近會(huì)產(chǎn)生負(fù)的磁導(dǎo)率(μ<0)；而金屬短截線、金屬?gòu)澱劬€等在外加電場(chǎng)的激勵(lì)下多呈現(xiàn)電諧振特性產(chǎn)生負(fù)介電常數(shù)(ε<0)[12]?；谶@種思路設(shè)計(jì)了基于SRR的MNG單元結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 MNG單元結(jié)構(gòu)及其等效電路

MNG單元結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)SRR基礎(chǔ)上，通過(guò)額外增加一個(gè)內(nèi)環(huán)并通過(guò)金屬短接線將2個(gè)內(nèi)環(huán)與外環(huán)相連接組合而成，如圖1(a)所示。當(dāng)變化的磁場(chǎng)穿過(guò)該結(jié)構(gòu)時(shí)，此結(jié)構(gòu)可等效為如圖1(b)所示的諧振回路，L0和C0分別為外金屬環(huán)結(jié)構(gòu)自身等效電感與切槽開(kāi)口處對(duì)應(yīng)的等效電容，L1和C1分別為內(nèi)金屬環(huán)自身等效電感與切槽開(kāi)口處對(duì)應(yīng)的等效電容，R為整體等效電阻。此MNG單元結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)SRR相比，通過(guò)連接兩內(nèi)環(huán)增大了整體等效電感L與等效電容C，理論上降低了諧振頻率，實(shí)現(xiàn)了小型化。

將該結(jié)構(gòu)構(gòu)建在介電常數(shù)εr為2.65的F4B聚四氟乙烯介質(zhì)板上，損耗角正切tanδ=0.001 7，厚度h=0.8 mm。采用波導(dǎo)仿真器分析方法，研究圖1所示的結(jié)構(gòu)在上述尺寸下對(duì)應(yīng)的傳輸特性，MNG單元結(jié)構(gòu)波導(dǎo)仿真模型如圖2所示。優(yōu)化各參數(shù)：介質(zhì)板長(zhǎng)b=6 mm；外環(huán)寬a1=4.7 mm，外環(huán)長(zhǎng)b1=5 mm，外環(huán)線寬w1=0.3 mm，外環(huán)開(kāi)口長(zhǎng)度g1=0.6 mm；內(nèi)環(huán)寬a2=3 mm，內(nèi)環(huán)長(zhǎng)b2=1.6 mm，內(nèi)環(huán)線寬w2=0.3 mm，內(nèi)環(huán)開(kāi)口長(zhǎng)g2=0.1 mm，內(nèi)環(huán)間距g3=0.2 mm，內(nèi)外環(huán)金屬線寬w3=0.3 mm。

圖2 MNG單元結(jié)構(gòu)波導(dǎo)仿真模型

電磁波入射方向?yàn)閥軸方向，與此垂直的2個(gè)面設(shè)為激勵(lì)端口；電場(chǎng)和磁場(chǎng)分別為x軸和z軸方向，與x軸垂直的2個(gè)面設(shè)為理想電邊界條件(Perfect Electric-Boundary Condition，PEC)，與z軸垂直的2個(gè)面設(shè)為理想磁邊界條件(Perfect Magnetic-Boundary Condition，PMC)。

于是得到如圖3所示的傳輸特性曲線，以及根據(jù)圖3數(shù)據(jù)利用S參數(shù)提取法獲得的如圖4所示的MNG單元結(jié)構(gòu)的等效媒質(zhì)參數(shù)曲線。

圖3 MNG單元結(jié)構(gòu)傳輸特性曲線

根據(jù)圖3和圖4可知，在4.65～4.75 GHz的頻段范圍內(nèi)S21均降到-10 dB以下，在中心頻點(diǎn)4.7 GHz附近更是達(dá)到了-24 dB，并且中心頻點(diǎn)附近磁導(dǎo)率實(shí)部Re(μeff)為負(fù)，介電常數(shù)實(shí)部Re(εeff)為正，產(chǎn)生了磁諧振。

圖4 MNG單元結(jié)構(gòu)等效媒質(zhì)參數(shù)曲線

1.2 基于MNG單元構(gòu)造的周期去耦結(jié)構(gòu)

將1×9個(gè)MNG單元排列成如圖5所示的單層周期去耦結(jié)構(gòu)，周期Px=5 mm，同樣采用TEM波導(dǎo)仿真模型對(duì)單層MNG周期去耦結(jié)構(gòu)進(jìn)行特性分析，得到如圖6所示的單層MNG周期去耦結(jié)構(gòu)的傳輸特性曲線。

圖5 MNG單層周期去耦結(jié)構(gòu)

圖6 MNG單層周期去耦結(jié)構(gòu)傳輸特性曲線

根據(jù)圖6仿真結(jié)果可知，1×9 MNG周期結(jié)構(gòu)在4.69 GHz附近產(chǎn)生了強(qiáng)烈的磁諧振，諧振點(diǎn)較MNG單元磁諧振點(diǎn)4.7 GHz向低頻方向略有偏移，并且在4.25 GHz附近出現(xiàn)了一個(gè)新的諧振點(diǎn)。主要是由于隨著MNG單元數(shù)量的增加，其相互之間帶來(lái)的耦合造成?？偟膩?lái)說(shuō)，在中心頻點(diǎn)4.7 GHz的頻帶范圍內(nèi)，該周期結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了強(qiáng)烈的磁諧振，阻礙了大部分電磁波在此結(jié)構(gòu)中的傳輸，展現(xiàn)了其帶阻特性。

2 MNG結(jié)構(gòu)抑制微帶陣列天線互耦的驗(yàn)證

微帶陣列天線中，當(dāng)介質(zhì)基片較厚時(shí)，容易在微帶襯底中激勵(lì)起表面波，該表面波是微帶陣列天線單元間產(chǎn)生互耦效應(yīng)的主要來(lái)源。所以可通過(guò)抑制表面波的傳播即可有效降低微帶陣列天線單元間的互耦，所以本文選用了h=0.8 mm的介質(zhì)板。根據(jù)文獻(xiàn)[13]可知，微帶陣列沿天線單元E面方向排列時(shí)表面波傳播能力最強(qiáng)，因此只討論E面耦合的微帶天線單元間的互耦抑制問(wèn)題[14-15]，并設(shè)計(jì)了如圖7所示的模型。

圖7 加載MNG周期去耦結(jié)構(gòu)的微帶天線陣示意(俯視圖和正視圖)

本模型選用2個(gè)完全相同的微帶天線沿E面方向排列，單元工作頻率均為4.7 GHz，單元間距d0=6 mm(約為0.153λ0)。介質(zhì)板尺寸100 mm×50 mm，天線尺寸17.1 mm×18.9 mm，為減小整體尺寸本文選用了底部同軸饋電，加載的MNG周期去耦結(jié)構(gòu)垂直放置于兩天線中間，底面與介質(zhì)基板相連。

為驗(yàn)證MNG周期去耦結(jié)構(gòu)的去耦效果，首先對(duì)加載前后的微帶二元陣反射系數(shù)S11與插入損耗S21進(jìn)行仿真對(duì)比，結(jié)果如圖8所示。

從圖8可知，加載周期去耦結(jié)構(gòu)之后，微帶天線的諧振點(diǎn)無(wú)明顯變化，這說(shuō)明該去耦結(jié)構(gòu)的引入對(duì)天線的工作頻點(diǎn)和帶寬未產(chǎn)生明顯影響。但是加載去耦結(jié)構(gòu)后S21得到很大程度的降低，從仿真結(jié)果來(lái)看，在天線諧振點(diǎn)即4.7 GHz頻點(diǎn)處，S21由加載前的-15.8 dB降低到加載后的-54.6 dB，減小了38.8 dB，陣列天線單元間的隔離度得到很大提升。

圖8 加載MNG周期去耦結(jié)構(gòu)前后微帶二元陣S參數(shù)對(duì)比

加載MNG周期去耦結(jié)構(gòu)前后天線陣E面及H面方向圖對(duì)比如圖9所示。

圖9 加載MNG周期去耦結(jié)構(gòu)前后天線陣方向圖對(duì)比

根據(jù)仿真結(jié)果可見(jiàn)，加載MNG周期去耦結(jié)構(gòu)后天線方向圖雖然在某些角度有稍微的波動(dòng)外，整體上與參考天線陣保持著高度的一致?？梢哉f(shuō)，此周期去耦結(jié)構(gòu)在很大程度上提高了單元間隔離度的同時(shí)并未對(duì)天線遠(yuǎn)場(chǎng)造成明顯影響，很好地實(shí)現(xiàn)了微帶陣列天線間的互耦抑制。

為了進(jìn)一步證明MNG周期去耦結(jié)構(gòu)對(duì)微帶陣列天線單元間互耦抑制作用，以及更加直觀地展現(xiàn)其互耦抑制的效果，接下來(lái)將在微帶二元陣中只激勵(lì)單個(gè)天線A1，而另一個(gè)天線A2終端接50 Ω匹配電阻得到加載MNG周期去耦結(jié)構(gòu)前后天線單元表面電流變化的仿真示意圖，如圖10所示。圖10(a)顯示了加載MNG周期去耦結(jié)構(gòu)前，只對(duì)天線A1饋電而天線A2端接匹配負(fù)載時(shí)，天線A2上產(chǎn)生了較大的耦合電流，而圖10(b)顯示了加載MNG周期去耦結(jié)構(gòu)后，天線A2上的耦合電流明顯減小。這也更進(jìn)一步證明此MNG周期結(jié)構(gòu)具有非常好的互耦抑制效果。

圖10 加載MNG周期去耦結(jié)構(gòu)前后天線陣單元表面電流

3 結(jié)束語(yǔ)

本文利用單負(fù)材料的電磁禁帶特性，基于傳統(tǒng)的SRR設(shè)計(jì)并分析了MNG諧振單元，并將由其構(gòu)成的1×9周期去耦結(jié)構(gòu)加載于工作在相應(yīng)禁帶頻率的微帶二元陣單元中間。仿真結(jié)果表明，按E面方向排列的微帶陣列在天線單元邊到邊間距約為0.153λ0時(shí)，耦合度降低了約38.8 dB，展現(xiàn)了優(yōu)良的單元間互耦抑制能力。同時(shí)，本文設(shè)計(jì)的磁負(fù)結(jié)構(gòu)具有尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及剖面低等特性，在高密度、高性能的微帶陣列天線的研究與設(shè)計(jì)中將具有很好的應(yīng)用潛能。

[1] YANG F，RAHMAT-SAMII Y.Microstrip Antennas Integrated with Electromagnetic Band-Gap (EBG) Structures：A Low Mutual Coupling Design for Array Applications[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2003，51(10)：2936-2946.

[2] MU’ATH J，DENIDNI T A，SEBAK A R.Millimeter-wave Compact EBG Structure for Mutual Coupling Reduction Applications[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2015，63(2)：823-828.

[3] RAJO I E，QUEVEDO T O，INCLAN S L.Mutual Coupling Reduction in Patch Antenna Arrays by Using a Plannar EBG Structure and a Multilayer Dielectric Substrate[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2008，56(6)：1648-1655.

[4] PAYANDEHJOO K，ABHARI R.Employing EBG Structures in Multi-antenna Systems for Improving Isolation and Diversity Gain[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2009(8)：1162-1165.

[5] 逯貴禎，殷紅成，李彥霏，等.人工電磁材料的多尺度分析[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，27(6)：1124-1128.

[6] ZHU F G，XU J D，XU Q.Reduction of Mutual Coupling Between Closely-packed Antenna Elements using Defected

Ground Structure[C].Microwave Antenna，Propation EMC Technology Wireless Communications，2009 3rd International Symposium，USA：IEEE，2009.

[7] CHUNG Y，JEON SS，AHND D，et al.High Isolation Dual-polarized Patch Antenna Using Integrated Defected Ground Structure[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2004，14(1)：4-6.

[8] 崔萬(wàn)照，馬偉，邱樂(lè)德，等.電磁超介質(zhì)及其應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2010：49.

[9] 張洪欣，徐楠，黃麗玉，等.電磁異向介質(zhì)在陣列天線中的應(yīng)用研究[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2014，29(4)：673-677.

[10] PENDRY J B，HOLDEN A J，Robbins D J，Et Al.Magnetism From Conductors And enhanced nonlinear phenomena[J].IEEE Trans.on Mcrowave Theory and Technique，1999，47(11)：2075-2084.

[11] 唐明春，肖紹球，高山山，等.新型電諧振人工異向介質(zhì)抑制陣列天線單元間互耦[J].物理學(xué)報(bào)，2010，59(3)：1851-1856.

[12] 仇玉杰，姜興，彭麟，等.新型電單負(fù)材料結(jié)構(gòu)在天線互耦抑制中的應(yīng)用[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，31(5)：996-1003.

[13] POZAR D.Input Impedance and Mutual Coupling of Rectangular Microstrip Antennas[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1982，30(6)：1191-1196.

[14] 薛正輝，李偉明，任武.陣列天線分析與綜合[M].北京：航空航天大學(xué)出版社，2011.

[15] 陳兆豐.北斗抗干擾陣列天線去耦合技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2015.