呂秀芬

（山西醫(yī)科大學(xué)汾陽(yáng)學(xué)院 山西 汾陽(yáng) 032200）

微帶貼片天線(xiàn)具有易集成、重量輕，能與衛(wèi)星等空間飛行器表面實(shí)現(xiàn)共形等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)了小型化和集成化的發(fā)展而得到廣泛應(yīng)用。但是，當(dāng)天線(xiàn)附近有金屬物和介質(zhì)體時(shí)，天線(xiàn)上的電流會(huì)受到影響重新分布，進(jìn)而引起單元效益及增益降低、極化特性變壞及陣列失配等諸多問(wèn)題[1]。陣元間的互耦嚴(yán)重影響了天線(xiàn)的性能。為了解決這一難題，人們提出了在陣元之間加載缺省地結(jié)構(gòu)[2]。但是該結(jié)構(gòu)需要在底板上刻蝕槽縫會(huì)導(dǎo)致電磁能量向后輻射，降低陣列增益。因此，需要發(fā)展新的技術(shù)手段來(lái)提高天線(xiàn)陣元間的隔離度。

Sievenpiper用印刷電路技術(shù)設(shè)計(jì)的雙層或者三層結(jié)構(gòu)的蘑菇狀高阻抗表面具有兩個(gè)重要特性：一是當(dāng)平面波正入射到其表面時(shí)，在某一頻率該表面具有理想導(dǎo)磁體的特性；另一個(gè)特性是表面波的抑制[3]。

表面波最直接的負(fù)面影響是使得天線(xiàn)方向圖背瓣增大，導(dǎo)致天線(xiàn)陣元間的互耦加強(qiáng)，進(jìn)而降低天線(xiàn)效率。本文在研究表面波帶隙ElectromagneticBand Gap（EBG）的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種禁帶頻率在6GHz～7GHz之間的周期性高阻抗表面結(jié)構(gòu)，并將該結(jié)構(gòu)應(yīng)用到工作頻率在6.4GHz的貼片天線(xiàn)陣列中。仿真結(jié)果表明，在陣元間加載該結(jié)構(gòu)后，陣元間的隔離度得到大大提高。

本文設(shè)計(jì)的高阻抗表面結(jié)構(gòu)，上層為圓形金屬貼片，中間為介電常數(shù)為10.2的介質(zhì)板，底層為金屬貼片。結(jié)構(gòu)參數(shù)為：?jiǎn)卧芷?.5mm，圓心貼片半徑1.5mm、金屬化導(dǎo)孔半徑0.25mm，連接上下表面的金屬化導(dǎo)孔長(zhǎng)度2mm。該結(jié)構(gòu)具有平移對(duì)稱(chēng)性和4度旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性。選用偶極子天線(xiàn)對(duì)該結(jié)構(gòu)的表面波傳輸特性進(jìn)行模擬仿真，邊界條件為開(kāi)放空間。

圖1分別為上述結(jié)構(gòu)TE波、TM波表面波帶隙仿真圖，在6GHz～7GHz頻率之間有明顯的表面波禁帶，TE波和TM波都不能在該頻段傳播。本文設(shè)計(jì)將這種結(jié)構(gòu)加載在工作頻率為6.4GHz的貼片天線(xiàn)陣列中用來(lái)抑制陣元間互耦。

圖1 高阻抗表面結(jié)構(gòu)TE、TM波表面波帶隙模擬仿真

貼片天線(xiàn)是在損耗和厚度都很小的介質(zhì)基片兩側(cè)，分別敷設(shè)接地板和導(dǎo)體貼片而形成的天線(xiàn)，采用同軸線(xiàn)饋電方式。貼片天線(xiàn)在諧振頻率時(shí)輻射最大，因此實(shí)際中一般選取諧振頻率作為天線(xiàn)的工作頻率。天線(xiàn)諧振頻率經(jīng)驗(yàn)公式由式（1-1）給出，其中為真空中光速，為貼片長(zhǎng)度，為貼片寬度，為介質(zhì)板厚度，為介質(zhì)板相對(duì)介電常數(shù)[1]。

由上式可知，貼片天線(xiàn)的尺寸決定著天線(xiàn)的諧振頻率。本文設(shè)計(jì)工作頻率在6.4GHz的貼片天線(xiàn)，貼片寬度為4mm，長(zhǎng)度為7mm，介質(zhì)板采用Rogers 6010，厚度為2mm。調(diào)節(jié)饋電點(diǎn)位置，找到天線(xiàn)輻射最強(qiáng)的位置。

在該天線(xiàn)附近分別加載一列、兩列、三列、四列高阻抗表面結(jié)構(gòu)來(lái)分析它對(duì)天線(xiàn)的輻射影響。當(dāng)加載不同列數(shù)的高阻抗表面結(jié)構(gòu)時(shí)，在6GHz～7GHz之間，表面波得到了不同程度的抑制。當(dāng)加載4列該結(jié)構(gòu)時(shí)，下降到75dB左右，此時(shí)表面波得到最大程度抑制。因此考慮在陣列天線(xiàn)陣元間加載4列該結(jié)構(gòu)來(lái)抑制陣元間互耦。

本文設(shè)計(jì)貼片天線(xiàn)陣列，在貼片陣列中加載高阻抗表面結(jié)構(gòu)，示意圖如下：

圖3

蘑菇狀高阻抗表面結(jié)構(gòu)由于其獨(dú)特的電磁特性已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到天線(xiàn)制作當(dāng)中，本文利用其抑制表面波的特性將其加載在天線(xiàn)陣列之間，仿真結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)可以有效降低陣元之間的互耦，提高天線(xiàn)增益。另外，蘑菇狀高阻抗表面采用的是印刷電路技術(shù)，可以很好地與導(dǎo)彈、衛(wèi)星等實(shí)現(xiàn)共形，在軍民領(lǐng)域中都將會(huì)有廣泛的應(yīng)用前景。