基于磁負超材料的低互耦天線陣列設計

吳國成+朱莉+胡立忠+高向軍+王光明??

摘要： 提出一種新型磁負超材料單元， 通過采用HFSS， Matlab等軟件對其電磁特性進行了詳細分析和討論， 結果表明其具有較好的磁負特性。 根據該磁負超材料在磁負頻段諧振產生傳輸阻帶這一特性， 設計了一款工作在3 GHz的同軸饋電二單元微帶天線陣。 通過在天線陣單元間加載該磁負超材料單元陣列， 使天線陣列間互耦有效降低了12.1 dB。 天線單元間距僅為λ/10（λ為天線在自由空間工作波長）， 且天線陣列的遠場輻射性能有所提高。 因此， 所設計的磁負超材料單元在設計緊湊型高性能天線陣列方面具有廣闊應用前景。

關鍵詞： 磁負超材料； 雙方形螺旋諧振器； 微帶天線陣列； 互耦縮減

中圖分類號： TN821+.2文獻標識碼： A文章編號： 1673-5048（2017）01-0050-05[SQ0]

0引言

當前， 單個的天線已遠遠不能滿足人們的需求， 多輸入多輸出（Multiple Input and Multiple Output， MIMO）系統能夠在不增加帶寬并保持信道可靠性和誤碼率的基礎上成倍提高通信系統的信道容量， 這使得MIMO技術成為提高數據傳輸率的重要手段[1-4]。 然而， 在MIMO天線系統中， 天線單元間的相互作用會對天線陣列的整體性能造成一定影響， 這是設計中不能回避的問題[5-8]。 傳統的天線陣設計理論為了簡化分析常常忽略天線陣單元間的互耦， 僅適用于窄帶、 大陣元間距、 小掃描角等簡單情況， 而在現代多功能、 大規模、 高集成陣列天線的研究與設計中， 互耦是必須考慮的一個因素[9-12]。

在天線陣列的設計中， 對待耦合的方式主要有三種：（1）補償耦合。 陣列單元間的相互作用會使陣列接收的信號產生相位或幅度失真， 對相控陣天線通過接收信號完成某些任務（如波達方向估計）來說影響很大。 成都信息綜合控制國家重點實驗室和國防科技大學的研究人員曾在分析陣列單元互耦的基礎上提出互耦補償的方法， 但難以改善天線陣列的輻射特性。 （2）利用耦合。 控制耦合復雜而困難， Wheeler在分析無限電流片陣列時發現， 將陣列單元尺寸和單元之間的間距縮小時， 陣列單元間的強耦合使得整個天線陣的口徑場呈現近似平面波的連續分布， 促使整個天線陣呈現出超寬帶的輻射特性。 為了保證這種近似， 天線陣單元尺寸要小于最高頻率的半波長， 否則將產生柵瓣， 這給天線陣列和T/R組件的集成帶來很大困難。 因此， 在單元尺寸較大的情況下如何保證高頻處的輻射性能是一個挑戰。 （3）遏制耦合。 陣列間單元的互耦大多會破壞天線陣的輻射性能，

單元后加載背腔、 在單元間加載表面波吸收結構可以遏制表面波， 從而抑制耦合[13-15]。

本文主要從遏制耦合的角度出發并展開研究，

通過在微帶天線陣單元間加載磁負超材料單元達到解耦的目的， 從而提高天線陣的性能。

1磁負超材料單元的設計與分析

1.1單元設計

航空兵器2017年第1期

吳國成， 等： 基于磁負超材料的低互耦天線陣列設計

本文所提出的磁負超材料單元結構圖如圖1（a）所示， 其由兩個方形螺旋諧振器級聯組成， 稱其為DSSR（Double Square Spiral Resonator）。 采用基于有限元法的電磁仿真軟件Ansoft HFSS對提出的DSSR進行分析和討論， 其仿真模型如圖1（b）所示。 將蝕刻有DSSR的介質板置于空氣盒子中， 并將空氣盒子沿電場方向的上下表面設置為理想電壁（PEC）， 沿磁場方向的前后兩面設置為理想磁壁（PMC）， 沿波數k的左右兩個端面設置為波端口激勵， 構造一個極化電磁場環境且磁場垂直于DSSR的表面。 通過仿真可以得到DSSR在這種環境中的散射特性， 進而可以提取其本征參數。所用的介質板以及設計的天線陣所采用的介質板均是介電常數為2.65， 厚度為1.5 mm的聚四氟乙烯玻璃布板（F4B）。

1.2仿真分析

為了進一步對所提出的DSSR進行分析， DSSR的結構尺寸設置如表1所示。

參數a/mmd/mmt/mm

取值3.90.40.29

DSSR的S參數如圖2（a）所示， 可以看出DSSR在3 GHz處存在一個傳輸阻帶， 這是由于DSSR在3 GHz處磁諧振產生的。 由于DSSR的尺寸非常電小， 僅為λ/13（λ為天線在自由空間工作波長）， 可以采用標準的等效媒質參數提取方法來對其本征參數進行提取。 采用Matlab軟件編程按照文獻[10]的方法提取得到的DSSR的本征參數圖如圖2（b）所示， 其中等效磁導率μ的實部和虛部在3 GHz處均為負， 而等效介電常數ε的實部和虛部皆為正， 這就有效地證明了DSSR為單負磁材料。

為了便于DSSR的設計與應用， 采用HFSS中的參數掃描工具分別對DSSR的各結構參數進行參數掃描仿真， 結果見圖3。 阻帶的中心頻率隨著a的增大而降低， 隨著d， t的增大而升高。 這是因為當a增大時， DSSR的等效電感增大， 磁諧振頻率降低； 而當d， t增大時， DSSR的等效電感減小， 磁諧振頻率增大。 所以， 通過調整DSSR的物理尺寸可以改變其工作頻段， 因而該新型結構具有很好的普適性。

2天線陣列的設計與結果

通過在二元天線陣列單元之間加載DSSR來抑制天線陣單元之間的耦合效應， 從而達到縮小陣元間距、 提高天線陣性能的目的。 用來解耦的一款工作在3 GHz的同軸饋電二元微帶天線陣見圖4（a）， 將其作為參考天線陣。 最終設計的解耦天線陣見圖4（b）， 其中間加載的是2排3×4 DSSR陣列， 天線陣列的結構參數見表2。

對所設計的參考天線陣列和DSSR加載天線陣列進行仿真、 加工和測試。 圖5給出了這兩款天線陣列的實物加工圖， 采用矢量網絡分析儀按照測量微波二端口器件的測試方法對這兩款天線陣列的S參數進行測試， 測試結果如圖6所示。 仿真和測試結果吻合較好， 并且加載DSSR的天線陣列與參考天線陣的S11在工作頻段均優于-15 dB， 說明磁負超材料的引入并未對天線陣列的良好阻抗匹配特性造成影響。 從測試結果可知， 天線陣列工作頻率比仿真結果略微向高頻偏移（其中作為對比的參考天線陣列偏移45 MHz ， 而加載DSSR的天線陣列偏移60 MHz）。 分析可知， 這主要是由于所用的非理想介質板存在介電常數漂移以及在加工過程中存在不可避免的誤差引起。 通過加載DSSR， 天線陣單元間耦合系數S21的峰值從-14.3 dB下降到-26.4 dB， 降幅達到12.1 dB， 解耦效果顯著。 值得一提的是， 天

線陣單元間距只有λ/10， 這對于制作緊湊型弱耦合的天線陣具有很高的參考應用價值。

為研究解耦對天線陣遠場輻射特性的影響， 在微波暗室中對天線陣的方向圖進行測試， 測試時其中一個天線單元饋電， 另外一個加載50 Ω匹配負載， 這樣測得的不是天線陣列的方向圖而是陣元的方向圖。 圖7給出了這兩款天線陣在兩個主輻射方向3 GHz處的方向圖測試結果， 從圖中可以看出， 加載超材料的天線陣后瓣縮小且前向增益變大， 說明天線陣的輻射性能變好。 綜上所述， DSSR的引入不僅沒有損害天線的輻射性能， 反而對天線的遠場輻射特性有所優化。

3結論

本文采用HFSS， Matlab等軟件對所設計的新型磁負超材料單元進行分析和討論， 有效驗證了其單負特性。 利用其在單負頻段諧振產生阻帶這一特性來抑制天線陣單元間的互耦， 通過加載磁負超材料設計了一款工作在3 GHz的二單元同軸饋電天線陣。 與參考天線陣相比， 天線間耦合實現了12.1 dB的縮減， 并進一步提高了天線陣的遠場輻射性能。 所提出的單負超材料單元在設計小型化、 高性能天線陣方面具有很大應用價值。

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