共基板小型化微带天线阵去耦技术研究

朱艳玲+廖林+魏景辉

【摘要】 本文研究了共基板小型化微带天线阵去耦技术，用以增加微带天线阵元间的隔离度，从而提升天线阵性能。通过应用调整阵元间距、天线阵元排布方向和采用微波光子晶体结构等三种去耦技术，能够使天线阵元隔离度提高3dB以上，在小型化卫星接收设备研制方面具有可观的应用前景。

【关键词】 共基板天线阵列 去耦 微波光子晶体结构 小型化

一、引言

多阵元微带天线阵列作为卫星导航抗干扰终端设备的最前端， 其性能与接收效果直接相关。目前导航设备逐渐向集成化、小型化发展，天线阵列体积相应减小，随之带来耦合增大、增益降低的问题，无可避免地降低了天线的辐射效率[1]。当天线阵元间距小于四分之一波长时，阵元之间的互耦就会变得特别剧烈，并随着阵元间距的进一步减小而急剧增大。因此，在布阵面积受限的天线阵设计中，如何降低天线之间的耦合成为一个研究的热点。

二、去耦关键技术

2.1 增大阵元间距

天线阵元间距直接影响阵元隔离度。增大阵元间距，能使天线隔离度在宽频段得到整体改善。同一个北斗二号B3频点微带天线阵列，当阵元间距分别为、、和时，隔离度数值如表1所示，可以得出结论，阵元间距越大，隔离度越好。

在阵列地板尺寸固定的情况下，只能通过采用天线阵元小型化设计的方法来增大阵元间距：如采用共高介电常数介质基片设计[2]；在贴片上开槽，增加电流路径；短路销钉或器件加载[3]等。

2.2调整天线阵元排布方向

如图1左图所示，天线阵元分布为方阵，阵元之间是平移关系。因此相邻的贴片辐射边平行正对，阵元中心的连线与辐射边垂直，易使微带天线在工作频段产生较强的表面波耦合，使隔离度变差。

如图2右图所示，天线阵形分布为圆阵，阵元之间是旋转关系，相邻阵元中心的连线与辐射边呈45°角，却能使辐射边耦合到的TM模表面波能量减小。

这两种情况下的隔离度曲线如图2所示。可以得出结论，圆阵分布的天线阵元耦合更小，隔离更好，因此小型天线阵优选圆阵分布阵列。

2.3微波光子晶体结构

在共基板小型化天线阵结构中，基板的大小和厚度已定，因此电感量固定不变。而电容主要由小贴片间缝隙电容大小来决定 [4]。针对此特定的天线结构，结合工程实际，采用高阻抗面微波光子晶体结构[5]，如图3所示：

在天线阵元间排列5行40列周期性排列的方形小金属贴片组成的高阻抗面微波光子晶体结构，此小贴片阵列与微带天线共面，每一个贴片中心都有一个短路通孔，与大接地板相连，如图4所示。

在光子晶体等效电路中，当小贴片单元间距约为时，带隙中心频率的可调整自由度达到最高，能在相应频带出现较显著的带隙效应[6]。故能很好地抑制基板上的表面波，改善天线间的隔离度。

三、计算机仿真与分析

HFSS仿真模型如图 4 所示：先创建一个共基片的小型化微带天线阵列，基板直径设置为190mm，厚度6mm，相对介电常数 6。四个B3贴片天线谐振在1268.52MHz，其贴片边长为30mm，馈点位置偏移中心4mm，阵元间距为68mm（）。

然后设置微波光子晶体结构各项参数：加入5行40列的小贴片正方形，其边长为3mm，过孔半径为0.5mm。单元与单元之间的间隙宽度是0.4mm，过孔与过孔之间的距离为4mm。

在不影响天线驻波比和仰角增益的情况下，通过数值算法反复优化，调整各个参数变量，使隔离度达到最优。最终仿真结果如图5所示：加入高阻型微波光子晶体的基板呈现出显著的带隙特性，在1.23～1.30GHz出现了明显频率禁带，有力抑制了落入此带范围内的表面波，使其比普通基板隔离度在指定频段改善了3dB以上。

四、结论

通过研究小型化天线阵去耦技术，分析了针对共基板小型化微带天线阵的隔离措施。得出以下结论：增大天线间距，能使天线隔离度在宽频段得到整体改善；固定天线间距，将共基板微带天线阵元呈圆阵分布，其隔离度较佳；应用高阻型光子晶體结构，在采用以上两种措施的基础上，能进一步能使天线工作频段的隔离度提高3dB以上，因此具有可观的应用前景。

参 考 文 献

[1] 谢处方.近代天线理论.成都：成都电讯工程学院出版社，1987，208～220

[2] 赵菲，董平，柴舜连，毛钧杰。共基板微带天线隔离技术研究。微波学报，2008，24（4）：46～48

[3] 钟顺时.微带天线理论与应用.西安：西安电子科技大学出版社，1998，21～25

[4] Yablonovitch E. Inhibited spontaneous emission in solidstate physics and electronics[J]. Phys Rev Lett，1987， 58： 2059～2062

[5] 林宝勤， 袁乃昌。微波光子晶体电磁特性研究。 国防科技大学研究生院。2006。

[6] 闫敦豹， 张国华， 高 强， 袁乃昌等. EBG 结构在微带天线阵中的应用[J]. 微波学报， 2005，21（增刊）： 75～78