紧凑型微带阵列天线互耦的改善

杨明武(1958-),男,安徽滁州人,合肥工业大学教授,硕士生导师.

紧凑型微带阵列天线互耦的改善

戴维,杨明武,左劲风

(合肥工业大学 电子科学与应用物理学院,安徽 合肥230009)

摘要:文章根据经典的哑铃状缺陷地结构设计出一种新型缺陷地结构,用于改善紧凑型微带阵列天线阵元间的互耦。在谐振频率为2.45 GHz,阵元间距为1/10自由空间波长的天线阵阵元间引入该结构, 采用Ansoft HFSS进行仿真,比较加入缺陷地结构前后天线的各项参数,结果表明该结构使得表征阵元间互耦的参数S12减小30 dB以上,有效地改善了阵元间的互耦。

关键词:微带阵列天线;缺陷地结构;互耦;插入损耗;回波损耗

收稿日期：2014-02-18;修回日期：2014-04-01

基金项目：安徽省高校省级自然科学研究重点资助项目(KJ2012Z316)

作者简介：戴维(1990-),男,安徽安庆人,合肥工业大学硕士生;

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2015.01.014

中图分类号:TN822文献标识码：A

Mutualcouplingreductionbetweencompactmicrostriparrayantennas

DAIWei,YANGMing-wu,ZUOJing-feng

(SchoolofElectronicScienceandAppliedPhysics,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China)

Abstract:In this paper, a novel defected ground structure(DGS) is proposed based on classical dumbbell-shaped DGS for the suppression of the mutual coupling between closely-spaced microstrip patch array antennas. The structure is etched on the ground between two one-tenth wavelength spaced patch antennas with a resonant frequency of 2.45 GHz. Through Ansoft HFSS simulation testing, the performance of the antenna arrays with and without DGS is compared and the result indicates that the DGS structure is effective in reducing mutual coupling with a reduction of the relevant parameter S12 by over 30 dB.

Keywords:microstriparrayantenna;defectedgroundstructure(DGS);mutualcoupling;insertionloss;returnloss

微带天线的结构简单,易于生产和制作,容易与安装表面共形,能够实现多极化或多频工作,同时馈电网络可以与微带天线单元集成在同一介质基板上,这些特点使得其在应用中倍受青睐。相对于单个的微带天线,微带阵列天线有更高的增益以及可以实现波束扫描或波束控制等性质,已在多输入输出系统、雷达系统、卫星通信系统、导航系统以及个人无线通信系统中得到广泛应用。与孤立阵元的输入阻抗不同,阵列天线工作时,互耦会导致天线阵元的输入阻抗发生变化,导致天线的阻抗失配,进而引起阵元辐射效率及系统效率降低和天线极化特性变坏等问题,使得天线不能达到最佳的设计效果,甚至无法正常工作。对于高集成度的大规模电路,微带天线和其他元器件被集成在一个相对狭小的空间内,与其他器件之间的耦合对天线性能的影响也不可忽略。

互耦的产生原因主要有3种:表面波、近场耦合和远场耦合。当介质层尺寸和材料不同时,这3种耦合机制都可能起主导作用。文献[1]研究了互耦和阵元间距离的关系,随着阵元间距离的增加,3种耦合机制对于天线的影响都在减小,当阵元间的距离增加1倍时,表面波减小3dB,远场耦合减小6dB,近场耦合减小达到12dB以上。所以对于阵元间距离较小的紧凑型阵列,阵元间互耦的抑制显得尤为重要。为了减小互耦,文献[2]采用在天线周围介质板中周期性打孔的光子带隙结构(photonicband-gap,PBG),这种结构虽然能抑制表面波的传播从而减小互耦,但是PBG对于制作工艺要求很高,并且周期结构会增大天线的尺寸,实用性并不好。文献[3]使用电磁带隙结构(electromagneticband-gap,EBG)来抑制表面波的传播,在介质基板上印制周期性金属贴片,每个金属贴片通过孔与地板相连,这种结构同样会增加天线的尺寸。文献[4]在阵元间加入平面周期性的金属贴片,用贴片提供的电容和电感构成并联LC谐振电路,在阵元间起到滤波效果,这种结构克服了在介质中开孔工艺的困难,结构也相对紧凑,但是由于这种结构的金属贴片形状复杂,贴片形状与电容和电感的关系难以确定,使得其应用受到限制。

缺陷地结构(defectedgroundstructure,DGS)通过在电路的接地板上刻蚀出缺陷图案,以改变电路衬底材料的有效介电常数,从而改变基于该介质上微带线的分布电感和分布电容,以此形成频率的带阻效应[5]。与EBG相比较,DGS只需要简单的几何形状就可以形成所需的电磁带隙结构,并且工艺相对于EBG简单,该结构已被广泛应用于微波电路分立部件,如微带线、滤波器、谐振腔、放大器、振荡器等的设计中。在减少阵列天线互耦方面,文献[6]在距离为1/4自由空间波长的微带阵列天线间引入3排反向交织环状的DGS,使得阵元间的互耦减小了15dB。文献[7]通过使用背靠背的双U型槽状DGS使得距离为3/4自由空间波长的微带阵列间的互耦减小了9dB。

1DGS结构的设计

一系列的研究表明DGS能够用于改善阵列天线阵元间的互耦,但是这些研究都是针对天线阵元间距离较大的情况,在2个天线阵元之间有足够的空间刻蚀出缺陷结构,以此来减小阵元间的互耦。对于紧凑型的天线阵列以及在将天线与其他器件集成在一个基板上的大规模集成电路里,天线和其他元器件集成在一个介质板上,空间上对DGS尺寸的要求相对苛刻,前面文献中提到的一些结构并不适合紧凑型的阵列。文献[8]提出在微带线的地板上刻蚀出同心圆环的缺陷结构,并且在地板的下面再加一层介质和金属板,这种结构对于阵元间的距离没有要求,在空间上适用于所有阵列天线,并且可以在宽频带的范围内减小微带线的插入损耗。曾将这种结构用于天线阵列,在微带贴片天线的正下方的地板刻蚀出缺陷,并在地板线面添加介质层,结果表明该结构能有效地减小插入损耗,但是在天线的正下面引入缺陷的结构,对于天线辐射方向图的影响很大,不适宜用于阵列天线互耦的改善。

经典的哑铃状DGS已被滤波器、谐振器等微波器件广泛使用[9]。但是天线对于尺寸的要求使哑铃状DGS的应用受到限制,本文提出的结构根据哑铃状改变而来,将两端的矩形缝隙减小,并且增加为连续的周期性,这种改变可以大大减小DGS的横向尺寸,从而使其适用于紧凑型的阵列,图1所示为带阻频率在2.45GHz的哑铃状和新型的DGS结构。图1a的哑铃状结构中x0=y0=15 mm,图1b表示的结构具体参数为x1=2mm,y1=4 mm,x2=3 mm,y2=1 mm,x3=20 mm。

图1　2种 DGS结构

图2比较了2种结构对于特性阻抗为50Ω的微带线的滤波效果,哑铃状DGS在1.88~3.29GHz的频率范围内,插入损耗S12的值都在-10dB以下,中心频率2.45GHz时的S12的值达到-25.63dB;新型的DGS在频率为2.14～2.82GHz的范围内,S12的值在-10dB以下,中心频率2.45GHz时S12为-21.29dB。

f/ GHz

虽然新型DGS的滤波效果比哑铃状DGS有所下降,但其滤波功能仍能满足需要,尺寸上的优势使其在应用中有很大潜力。

2阵列天线的设计与分析

微带阵列天线的结构如图3所示。基板选择的是介电常数为4.4的FR4,损耗角正切tanδ为0.02,介质的厚度H为1.6mm。根据天线尺寸的计算公式得到贴片的宽度W0为37.26 mm,长度L0为30.2 mm,通过1/4波长阻抗转换器与50 Ω的微带线相连进行馈电,两阵元之间的距离为自由空间波长的1/10[10]。

图3　阵列天线结构

相比于微带线结构,天线面电流的分布更复杂,经过仿真优化确定在新型DGS的尺寸为x1=5mm,x2=3 mm,y1=7 mm,y2=0.45 mm, x3=24 mm时,对于天线互耦的改善效果最明显。

图4所示为加入DGS前后天线的S参数对比,加入DGS后天线的谐振频率有稍许的偏移,在2.45GHz时回波损耗S11几乎没有改变,S12由参考天线的-16.3dB下降到-46.4dB,S12减小30dB以上,说明了DGS结构能够有效地降低阵列单元之间的互耦。

f/ GHz

图5所示为加入DGS前后天线E面的方向图,可见DGS对于方向图没有明显的改变,这种情况下,采用DGS改善阵元间的互耦是一种可行的方案。

图5　 E面方向图

为了更清楚地显示对于互耦的抑制效果,图6对比了在只有一个天线被激励时加入DGS前后地板上电流的分布,可以看出DGS明显地抑制了电流的传播。

图6　地板电流的分布

3结束语

本文设计出一种适用于紧凑型阵列天线的缺陷地结构。它在不改变天线的回波损耗和辐射方向图等参数的条件下,对于插入损耗S12的抑制在30dB以上,对于天线互耦有明显的改善。横向的紧凑结构使得它不仅可以适用于阵列天线的阵元之间,还能适用于将天线与其他器件集成在一起的大规模集成电路,以减小互耦对于天线性能的影响。这种结构在抑制天线耦合的设计中有很好的应用前景。

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(责任编辑何晓雄)