人工磁导体在缝隙耦合微带天线中的应用

方超　逯贵祯　宋凯凯

(中国传媒大学信息工程学院,北京 100024)



人工磁导体在缝隙耦合微带天线中的应用

方超逯贵祯宋凯凯

(中国传媒大学信息工程学院,北京 100024)

摘要研究了一种由人工磁导体(Artificial Magnetic Conductor, AMC)构成的缝隙波导传输线技术在缝隙耦合微带天线中的应用．在通信频段,分析了构成AMC单元结构的色散特性．结果表明:在缝隙耦合微带天线背面加入AMC,可以降低背面辐射效应,优化天线的性能．

关键词AMC;传输线;微带天线

联系人： 方超 E-mail：fangchao1009@163.com

引言

在毫米波技术中,为了克服传统传输线的传输损耗问题,一种新的传输线技术受到了广泛的关注．新的传输线技术称为缝隙波导传输线,该传输线可以在很宽的带宽内传输准横电磁波(Transverse Electromagnetic Wave, TEM)．缝隙波导技术最早在文献[1]中提出,作为30 GHz到THz范围的传输线．传统传输线在这个频率范围受到传输性能、器件集成、实现成本等方面的限制．微带线、共面波导传输技术在毫米波范围传输损耗很大,而波导结构与有源器件的集成受到成本的限制．为了克服毫米波应用中传统传输线所出现的问题,缝隙波导传输技术应运而生．缝隙波导技术是在平面波导技术基础上发展起来的一种新的传输线技术．最早的平面波导是由两个平行金属板构成,在平行板构成的波导中可以传播垂直波导平面的电磁波．如果将平面波导中的一个导体替换为磁导体,则当平面波导之间距离小于1/4波长时,电磁波无法在波导中传播．缝隙波导是在理想导体和理想磁导体之间引入导体传输线,该导体传输线与理想导体平面形成一个缝隙,该缝隙可以传播准TEM波．

人工电磁材料可以通过人工方法形成所需要的电磁特性[2]．人工电磁材料技术的发展,为人工磁导体(Artificial Magnetic Conductor,AMC)的实现提供了技术基础．文献[3]研究了AMC表面的电磁特性,给出了AMC介质的表面阻抗计算公式,文献[4]在文献[3]的基础上,研究了缝隙波导的色散特性,文献[5]研究了缝隙波导的阻抗特性,文献[6]研究缝隙波导技术在毫米波器件的应用,其中提到了在单片微波集成电路中的封装应用．

缝隙耦合微带天线在无线通信技术中具有广泛的应用,但是缝隙耦合天线有一个缺点就是存在背面辐射效应,这个缺点限制了缝隙耦合天线在通信中的应用．为了克服背面辐射效应,传统方法是在背面加一个空腔或反射板,但是反射板往往会产生不需要的辐射效应,空腔会产生高阶模,产生不必要的谐振．本文研究AMC在缝隙耦合天线的应用,通过在缝隙耦合天线背面加入AMC,抑制平面波导电波传播的同时,可以降低背面辐射效应．

1平面波导结构

由金属导体组成的平面波导当间距小于1/2波长的时候,可以传播垂直表面的TEM电磁波,并且平面波导没有截止频率．如果平面波导由金属导体和磁导体组成,当波导间距小于1/4波长的时候,电磁波无法在这种平面波导中传播．超材料技术的发展为磁导体提供了一种新的实现方法,文献[4]讨论了AMC表面与导体表面组成的平面波导中的电波传播色散特性．对于由金属丝组成的周期阵列,等效介电常数具有公式(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是周期阵列的周期,b是金属丝的半径．对于该周期结构,当金属丝高度为1/4 波长时,金属丝阵列与空气界面可以被看作磁导体．文献[4]讨论了在10GHz到20GHz范围的平面波导问题,在该文献中,10GHz到20GHz范围是一个电波传播的禁带,电磁波无法传播．在本文的研究中,缝隙耦合天线工作在2.3GHz频率附近,因此，需要设计在此范围中电波无法传播的平面波导结构．考虑到工作频率为2.3GHz,金属丝的半径为2mm,高度31.25mm,周期单元的周期为10mm．为了研究该平面波导结构的色散特性,采用图1所示的计算模型分析电波传播的色散特性,在图1的周期结构中,x方向与y方向为周期边界条件,z方向为理想导体边界条件．图2给出了色散曲线的计算结果,从图2可以看到,1.9GHz到4.36GHz之间是禁带,在此范围电磁波没有传播模式,这个禁带特性满足我们的设计要求．

图1　计算波导传输色散特性的周期结构单元

图2　周期结构色散曲线

2缝隙耦合微带天线

缝隙耦合微带天线技术将馈线和微带天线单元实现了电气隔离,它们之间通过接地板之间的缝隙进行耦合．在缝隙耦合微带天线技术中,馈线和微带天线单元之间没有直接的电气连接,因此可以对馈线和天线单元分别进行优化．通常最佳的耦合孔径为0.141λ×0.019λ．图3是一个工作在2.3GHz的缝隙耦合微带天线,在该微带天线的馈线一侧,加有人工磁导体,人工磁导体与金属地面形成了平面波导结构．根据上一节对平面波导结构的分析,可以知道该结构在2.3GHz不能传输电磁波,因此抑制平面波导电磁波传播的同时,降低了背面辐射效应．缝隙耦合微带天线的结构尺寸分别为:缝隙耦合微带天线单元尺寸y方向宽30mm,x方向长40mm,耦合缝隙的尺寸为14mm长,1.55mm宽,介质基板介电常数2.2,微带天线与金属地面距离1.6mm,馈线与地面距离1.6mm,人工磁导体结构尺寸与第1节讨论的结构尺寸相同．

图3　缝隙耦合天线下加AMC的天线结构

3结果与讨论

利用AMC与金属导体的平面波导结构的传输特性,设计了如图3所示的缝隙耦合微带天线结构．由于该结构计算未知变量数目很大,采用时域有限差分方法对该结构进行了分析仿真,仿真结果为图4与图5所示．图4给出加有AMC和没有加AMC的反射系数随频率变化的曲线,从图4可以看到,馈线的匹配特性没有因为加有AMC而变坏,两者具有相同的变化规律,只是最佳匹配频率位置稍有一些偏移,产生频率偏移的原因是由于AMC的加入引进了一些寄生的电抗分量,在实际中可以通过调节金属丝周期阵列的尺寸进行改进,图4给出了调节之后的实验结果,可以和仿真结果匹配得很好．

图4　加入AMC缝隙耦合天线和未加AMC缝隙耦合天线的反射系数随频率变化曲线对比图

图5给出了天线辐射特性的比较,图5(a)是在x-y平面的天线增益,图5(b)是在y-z平面的天线增益,其中实线为加了AMC后的增益曲线,虚线是没有加AMC后的增益曲线,从辐射增益方向图可以看到,加了AMC以后,天线增益有一个很小的增加．同时,背向辐射大大减少,达到了使用AMC的预期设计目标．在仿真的基础上进行了实物的加工和测量,如图6所示,天线增益的实验结果与仿真结果吻合得很好．

(a) x-z平面的天线增益曲线

(b) y-z平面的天线增益曲线(实线为加了AMC，虚线为未加AMC)图5　天线增益比较

图6　实物效果

由以上结果可知,通过在缝隙耦合天线背面加入AMC,可以达到抑制平面波导电波传播、降低背面辐射效应的效果,实验结果符合最初设想．本研究也存在一些缺点,例如:针状AMC不易加工,体积较大等,未来可以采用平面磁导体取代．

参考文献

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方超(1985-)，男，湖北人，中国传媒大学博士研究生，主要研究方向为人工电磁材料、天线理论.

逯贵祯(1958-)，男，北京人，中国传媒大学教授，博士生导师，主要研究方向为计算电磁学、人工电磁材料、天线设计、电磁兼容.

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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

作者简介

收稿日期：2014-12-25

中图分类号TN826

文献标志码A

文章编号1005-0388(2015)06-1218-04