共基板小型化微帶天線陣去耦技術研究

朱艷玲+廖林+魏景輝

【摘要】 本文研究了共基板小型化微帶天線陣去耦技術，用以增加微帶天線陣元間的隔離度，從而提升天線陣性能。通過應用調整陣元間距、天線陣元排布方向和采用微波光子晶體結構等三種去耦技術，能夠使天線陣元隔離度提高3dB以上，在小型化衛星接收設備研制方面具有可觀的應用前景。

【關鍵詞】 共基板天線陣列 去耦 微波光子晶體結構 小型化

一、引言

多陣元微帶天線陣列作為衛星導航抗干擾終端設備的最前端， 其性能與接收效果直接相關。目前導航設備逐漸向集成化、小型化發展，天線陣列體積相應減小，隨之帶來耦合增大、增益降低的問題，無可避免地降低了天線的輻射效率[1]。當天線陣元間距小于四分之一波長時，陣元之間的互耦就會變得特別劇烈，并隨著陣元間距的進一步減小而急劇增大。因此，在布陣面積受限的天線陣設計中，如何降低天線之間的耦合成為一個研究的熱點。

二、去耦關鍵技術

2.1 增大陣元間距

天線陣元間距直接影響陣元隔離度。增大陣元間距，能使天線隔離度在寬頻段得到整體改善。同一個北斗二號B3頻點微帶天線陣列，當陣元間距分別為、、和時，隔離度數值如表1所示，可以得出結論，陣元間距越大，隔離度越好。

在陣列地板尺寸固定的情況下，只能通過采用天線陣元小型化設計的方法來增大陣元間距：如采用共高介電常數介質基片設計[2]；在貼片上開槽，增加電流路徑；短路銷釘或器件加載[3]等。

2.2調整天線陣元排布方向

如圖1左圖所示，天線陣元分布為方陣，陣元之間是平移關系。因此相鄰的貼片輻射邊平行正對，陣元中心的連線與輻射邊垂直，易使微帶天線在工作頻段產生較強的表面波耦合，使隔離度變差。

如圖2右圖所示，天線陣形分布為圓陣，陣元之間是旋轉關系，相鄰陣元中心的連線與輻射邊呈45°角，卻能使輻射邊耦合到的TM模表面波能量減小。

這兩種情況下的隔離度曲線如圖2所示。可以得出結論，圓陣分布的天線陣元耦合更小，隔離更好，因此小型天線陣優選圓陣分布陣列。

2.3微波光子晶體結構

在共基板小型化天線陣結構中，基板的大小和厚度已定，因此電感量固定不變。而電容主要由小貼片間縫隙電容大小來決定 [4]。針對此特定的天線結構，結合工程實際，采用高阻抗面微波光子晶體結構[5]，如圖3所示：

在天線陣元間排列5行40列周期性排列的方形小金屬貼片組成的高阻抗面微波光子晶體結構，此小貼片陣列與微帶天線共面，每一個貼片中心都有一個短路通孔，與大接地板相連，如圖4所示。

在光子晶體等效電路中，當小貼片單元間距約為時，帶隙中心頻率的可調整自由度達到最高，能在相應頻帶出現較顯著的帶隙效應[6]。故能很好地抑制基板上的表面波，改善天線間的隔離度。

三、計算機仿真與分析

HFSS仿真模型如圖 4 所示：先創建一個共基片的小型化微帶天線陣列，基板直徑設置為190mm，厚度6mm，相對介電常數 6。四個B3貼片天線諧振在1268.52MHz，其貼片邊長為30mm，饋點位置偏移中心4mm，陣元間距為68mm（）。

然后設置微波光子晶體結構各項參數：加入5行40列的小貼片正方形，其邊長為3mm，過孔半徑為0.5mm。單元與單元之間的間隙寬度是0.4mm，過孔與過孔之間的距離為4mm。

在不影響天線駐波比和仰角增益的情況下，通過數值算法反復優化，調整各個參數變量，使隔離度達到最優。最終仿真結果如圖5所示：加入高阻型微波光子晶體的基板呈現出顯著的帶隙特性，在1.23～1.30GHz出現了明顯頻率禁帶，有力抑制了落入此帶范圍內的表面波，使其比普通基板隔離度在指定頻段改善了3dB以上。

四、結論

通過研究小型化天線陣去耦技術，分析了針對共基板小型化微帶天線陣的隔離措施。得出以下結論：增大天線間距，能使天線隔離度在寬頻段得到整體改善；固定天線間距，將共基板微帶天線陣元呈圓陣分布，其隔離度較佳；應用高阻型光子晶體結構，在采用以上兩種措施的基礎上，能進一步能使天線工作頻段的隔離度提高3dB以上，因此具有可觀的應用前景。

參 考 文 獻

[1] 謝處方.近代天線理論.成都：成都電訊工程學院出版社，1987，208～220

[2] 趙菲，董平，柴舜連，毛鈞杰。共基板微帶天線隔離技術研究。微波學報，2008，24（4）：46～48

[3] 鐘順時.微帶天線理論與應用.西安：西安電子科技大學出版社，1998，21～25

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

[5] 林寶勤， 袁乃昌。微波光子晶體電磁特性研究。 國防科技大學研究生院。2006。

[6] 閆敦豹， 張國華， 高 強， 袁乃昌等. EBG 結構在微帶天線陣中的應用[J]. 微波學報， 2005，21（增刊）： 75～78