阵列天线耦合抑制技术研究

2021-08-12水孝忠梁洪灿蒋凡杰

航天电子对抗 2021年3期

水孝忠，梁洪灿，蒋凡杰

（中国电子科技集团公司第五十一研究所，上海 201802）

0 引言

阵列天线是无线系统应用中不可或缺的重要部分，相对于单个天线，阵列天线可通过对阵元相位和幅度的控制来产生较为灵活的方向图，以满足不同场景的需求，已广泛应用于雷达、电子对抗、无线通信、遥感等设备中。

天线组阵技术是一种不断创新、与时俱进的技术，在军民两用领域有着广阔的应用前景。但是阵列天线，尤其是小间距阵列天线面临着互耦影响的难题，阵元间的互耦效应导致阵列天线的实际性能与预期出现偏差，直接影响了天线的性能，会引起天线副瓣电平增高、天线增益下降、主瓣宽度展宽、有源驻波升高等，互耦问题已成为制约阵列天线性能提高的重要问题[1-3]。因此，阵列天线研制中必须考虑阵列单元间互耦的问题。耦合抑制的方法通常有2种：1）建立阵列天线的互耦系数矩阵[4]，进行互耦补偿；2）阵列天线设计中加入某些特殊结构对互耦进行抑制[5]，本文采用了阵中加载电磁带隙（EBG）、平面吸波器、极化栅来减小阵元间互耦的方法，并对耦合抑制性能进行了对比分析。

1 阵列天线互耦分析

阵列天线阵中互耦包括内部传输区互耦和外部辐射区互耦2个部分，天线阵发射状态时，天线阵元表面不仅有馈电电流，还有来自相邻单元的散射引起的电流，阵元电流是自身馈电和周围阵元响应的叠加。

设阵列天线由N个单元天线组成，单元天线电路模型等效为阻抗ZL，其内部阻抗为Zg，馈源的激励电压为V g，天线阵列可以等效为图1的多端口网络。

图1 阵列天线等效多端口网络

在阵列天线中，用Z ij(i≠j)表示端口i和端口j之间的互阻抗，Zij代表端口i的自阻抗，v j代表端口j的电压，v oj代表第端口j的开路电压。那么，以上网络关系可以用描述为[6]：

式（1）矩阵形式可简化表示为：Z0V＝V0。其中，V0为阵列天线端口的开路电压，Z0是阵列天线用ZL归一化后的广义阻抗矩阵，矩阵V为阵列天线端口输出电压组成的矩阵。

在阵列天线中，互耦量的大小还可以用互耦系数Sij更直观地来表示[7]：

式中，V＋j和V-i分别表示阵元入射电压和反射电压，Sij代表第i个阵元与第j个阵元之间的耦合系数。当i＝j时，Sij的值为第i个阵元的自耦合系数，也就是孤立阵元输入端的反射系数。天线阵列等效为多端口网络后，进而对阵中互耦进行量化分析。

2 耦合抑制结构设计

2.1 EBG结构

EBG又称光子晶体（photonic crystals），是一种能抑制某些频段表面波的特殊结构。很多研究利用EBG的电磁带隙特性来消除各器件之间的耦合。一般来说，EBG结构贴附在介质基板表面，当电磁波频率满足一定条件时，EBG结构表面形成一个高阻抗面，使得表面电磁波无法继续传播，所以将EBG结构加载到天线中，可消除天线结构中所产生的表面波，提高天线阵阵元间隔离度。本文采用传统Mushroom型EBG结构，它是一种紧凑型的电磁带隙结构[8]，如图2所示。其结构单元由金属贴片、介质基板构成。

图2 EBG单元结构

用C代表EBG结构的等效电容，L代表EBG结构的等效电感，ω0代表EBG结构的谐振频率，当EBG工作于谐振频率或者其附近某一范围频段时，其表面阻抗可以表示为：

由式（3）可知，当EBG工作于谐振频率时，表面阻抗Z值较大。因此，EBG结构能够有效阻止电磁波在其表面传播，达到一定频段内抑制表面波的目的，阵元间的互耦也得到抑制。

本文中，金属贴片尺寸为40 mm×40 mm，介质基板为FR4，厚度为3 mm，所设计的EBG结构紧凑，单元尺寸远小于波长。文中设计工作带宽BW＝0.5F0，百分比带宽为60%，EBG结构S参数仿真值如图3所示。从S参数图中可以看到，EBG结构可在F0±0.5BW的工作频带内将电磁波全反射回来。

图3 EBG结构S参数

2.2 平面吸波器结构

平面吸波器具有吸波结果，可以用来提高天线阵阵元间隔离度。本文设计了一款加载磁性介质材料的吸波器结构，利用磁性材料磁损耗高的特性来实现宽频带吸波的能力。磁性材料吸波单元的结构如图4所示，整个单元采用旋转对称结构，以实现对任意极化波的有效吸收。该结构在磁性介质上下表面加载金属贴片，上表面金属呈曲折线结构，可以延长电流路径，在二维平面内实现小型化。由于采用的介质基板为磁性介质，其独特的磁特性可以使吸波结构以超薄的剖面工作在P波段。