基于磁负超材料的低互耦天线阵列设计

    吴国成+朱莉+胡立忠+高向军+王光明??

    

    

    

    摘要： 提出一种新型磁负超材料单元， 通过采用HFSS， Matlab等软件对其电磁特性进行了详细分析和讨论， 结果表明其具有较好的磁负特性。 根据该磁负超材料在磁负频段谐振产生传输阻带这一特性， 设计了一款工作在3 GHz的同轴馈电二单元微带天线阵。 通过在天线阵单元间加载该磁负超材料单元阵列， 使天线阵列间互耦有效降低了12.1 dB。 天线单元间距仅为λ/10（λ为天线在自由空间工作波长）， 且天线阵列的远场辐射性能有所提高。 因此， 所设计的磁负超材料单元在设计紧凑型高性能天线阵列方面具有广阔应用前景。

    關键词： 磁负超材料； 双方形螺旋谐振器； 微带天线阵列； 互耦缩减

    中图分类号： TN821+.2文献标识码： A文章编号： 1673-5048（2017）01-0050-05[SQ0]

    0引言

    当前， 单个的天线已远远不能满足人们的需求， 多输入多输出（Multiple Input and Multiple Output， MIMO）系统能够在不增加带宽并保持信道可靠性和误码率的基础上成倍提高通信系统的信道容量， 这使得MIMO技术成为提高数据传输率的重要手段[1-4]。 然而， 在MIMO天线系统中， 天线单元间的相互作用会对天线阵列的整体性能造成一定影响， 这是设计中不能回避的问题[5-8]。 传统的天线阵设计理论为了简化分析常常忽略天线阵单元间的互耦， 仅适用于窄带、 大阵元间距、 小扫描角等简单情况， 而在现代多功能、 大规模、 高集成阵列天线的研究与设计中， 互耦是必须考虑的一个因素[9-12]。

    在天线阵列的设计中， 对待耦合的方式主要有三种：（1）补偿耦合。 阵列单元间的相互作用会使阵列接收的信号产生相位或幅度失真， 对相控阵天线通过接收信号完成某些任务（如波达方向估计）来说影响很大。 成都信息综合控制国家重点实验室和国防科技大学的研究人员曾在分析阵列单元互耦的基础上提出互耦补偿的方法， 但难以改善天线阵列的辐射特性。 （2）利用耦合。 控制耦合复杂而困难， Wheeler在分析无限电流片阵列时发现， 将阵列单元尺寸和单元之间的间距缩小时， 阵列单元间的强耦合使得整个天线阵的口径场呈现近似平面波的连续分布， 促使整个天线阵呈现出超宽带的辐射特性。 为了保证这种近似， 天线阵单元尺寸要小于最高频率的半波长， 否则将产生栅瓣， 这给天线阵列和T/R组件的集成带来很大困难。 因此， 在单元尺寸较大的情况下如何保证高频处的辐射性能是一个挑战。 （3）遏制耦合。 阵列间单元的互耦大多会破坏天线阵的辐射性能，

    单元后加载背腔、 在单元间加载表面波吸收结构可以遏制表面波， 从而抑制耦合[13-15]。

    本文主要从遏制耦合的角度出发并展开研究，

    通过在微带天线阵单元间加载磁负超材料单元达到解耦的目的， 从而提高天线阵的性能。

    1磁负超材料单元的设计与分析

    1.1单元设计

    航空兵器2017年第1期

    吴国成， 等： 基于磁负超材料的低互耦天线阵列设计

    本文所提出的磁负超材料单元结构图如图1（a）所示， 其由两个方形螺旋谐振器级联组成， 称其为DSSR（Double Square Spiral Resonator）。 采用基于有限元法的电磁仿真软件Ansoft HFSS对提出的DSSR进行分析和讨论， 其仿真模型如图1（b）所示。 将蚀刻有DSSR的介质板置于空气盒子中， 并将空气盒子沿电场方向的上下表面设置为理想电壁（PEC）， 沿磁场方向的前后两面设置为理想磁壁（PMC）， 沿波数k的左右两个端面设置为波端口激励， 构造一个极化电磁场环境且磁场垂直于DSSR的表面。 通过仿真可以得到DSSR在这种环境中的散射特性， 进而可以提取其本征参数。所用的介质板以及设计的天线阵所采用的介质板均是介电常数为2.65， 厚度为1.5 mm的聚四氟乙烯玻璃布板（F4B）。

    1.2仿真分析

    为了进一步对所提出的DSSR进行分析， DSSR的结构尺寸设置如表1所示。

    参数a/mmd/mmt/mm

    取值3.90.40.29

    DSSR的S参数如图2（a）所示， 可以看出DSSR在3 GHz处存在一个传输阻带， 这是由于DSSR在3 GHz处磁谐振产生的。 由于DSSR的尺寸非常电小， 仅为λ/13（λ为天线在自由空间工作波长）， 可以采用标准的等效媒质参数提取方法来对其本征参数进行提取。 采用Matlab软件编程按照文献[10]的方法提取得到的DSSR的本征参数图如图2（b）所示， 其中等效磁导率μ的实部和虚部在3 GHz处均为负， 而等效介电常数ε的实部和虚部皆为正， 这就有效地证明了DSSR为单负磁材料。

    为了便于DSSR的设计与应用， 采用HFSS中的参数扫描工具分别对DSSR的各结构参数进行参数扫描仿真， 结果见图3。 阻带的中心频率随着a的增大而降低， 随着d， t的增大而升高。 这是因为当a增大时， DSSR的等效电感增大， 磁谐振频率降低； 而当d， t增大时， DSSR的等效电感减小， 磁谐振频率增大。 所以， 通过调整DSSR的物理尺寸可以改变其工作频段， 因而该新型结构具有很好的普适性。

    2天线阵列的设计与结果

    通过在二元天线阵列单元之间加载DSSR来抑制天线阵单元之间的耦合效应， 从而达到缩小阵元间距、 提高天线阵性能的目的。 用来解耦的一款工作在3 GHz的同轴馈电二元微带天线阵见图4（a）， 将其作为参考天线阵。 最终设计的解耦天线阵见图4（b）， 其中间加载的是2排3×4 DSSR阵列， 天线阵列的结构参数见表2。

    对所设计的参考天线阵列和DSSR加载天线阵列进行仿真、 加工和测试。 图5给出了这两款天线阵列的实物加工图， 采用矢量网络分析仪按照测量微波二端口器件的测试方法对这两款天线阵列的S参数进行测试， 测试结果如图6所示。 仿真和测试结果吻合较好， 并且加载DSSR的天线阵列与参考天线阵的S11在工作频段均优于-15 dB， 说明磁负超材料的引入并未对天线阵列的良好阻抗匹配特性造成影响。 从测试结果可知， 天线阵列工作频率比仿真结果略微向高频偏移（其中作为对比的参考天线阵列偏移45 MHz ， 而加载DSSR的天线阵列偏移60 MHz）。 分析可知， 这主要是由于所用的非理想介质板存在介电常数漂移以及在加工过程中存在不可避免的误差引起。 通过加载DSSR， 天线阵单元间耦合系数S21的峰值从-14.3 dB下降到-26.4 dB， 降幅达到12.1 dB， 解耦效果显著。 值得一提的是， 天

    线阵单元间距只有λ/10， 这对于制作紧凑型弱耦合的天线阵具有很高的参考应用价值。

    为研究解耦对天线阵远场辐射特性的影响， 在微波暗室中对天线阵的方向图进行测试， 测试时其中一个天线单元馈电， 另外一个加载50 Ω匹配负载， 这样测得的不是天线阵列的方向图而是阵元的方向图。 图7给出了这两款天线阵在两个主辐射方向3 GHz处的方向图测试结果， 从图中可以看出， 加载超材料的天线阵后瓣缩小且前向增益变大， 说明天线阵的辐射性能变好。 综上所述， DSSR的引入不仅没有损害天线的辐射性能， 反而对天线的远场辐射特性有所优化。

    3结论

    本文采用HFSS， Matlab等软件对所设计的新型磁负超材料单元进行分析和讨论， 有效验证了其单负特性。 利用其在单负频段谐振产生阻带这一特性来抑制天线阵单元间的互耦， 通过加载磁负超材料设计了一款工作在3 GHz的二单元同轴馈电天线阵。 与参考天线阵相比， 天线间耦合实现了12.1 dB的缩减， 并进一步提高了天线阵的远场辐射性能。 所提出的单负超材料单元在设计小型化、 高性能天线阵方面具有很大应用价值。

    参考文献：

    [1] 刘平安. 移动终端小型化MIMO天线的去耦合研究 [D].西安： 西安电子科技大学， 2013.

    Liu Pingan. Study on Decoupling Method for Mobile Terminal Miniaturized MIMO Antenna [D]. Xian： Xidian University， 2013. （in Chinese）

    [2] 王宏建， 李朝伟. 喇叭天线方向图和增益的改进计算[J]. 航空兵器， 1997 （1）： 22-25.

    Wang Hongjian， Li Chaowei. The Improvement Computing of Horn Antenna Pattern and Gain [J]. Aero Weaponry， 1997 （1）： 22-25.（in Chinese）

    [3] 林昌禄. 近代天线设计[M].北京：人民邮电出版社，1993： 78-85.

    Lin Changlu. Modern Antenna Design [M]. Beijing： Posts & Telecom Press， 1993： 78-85.（in Chinese）

    [4] 张建奇， 方小平. 红外物理[M]. 西安： 西安电子科技大学出版社， 2004： 126-135.

    Zhang Jianqi， Fang Xiaoping. Infrared Physics [M]. Xian： Xidian University Press， 2004： 126-135.（in Chinese）

    [5] 松井邦彥.OP放大器应用技巧100例[M].邓学，译.北京： 科学出版社， 2006： 66-71.

    Matsui K. OP Amplifier Application Techniques of 100 Cases [M]. Translated by Deng Xue. Beijing： Science Press， 2006： 66-71.（in Chinese）

    [6] 周桃品， 李友年. 导引头隔离度对制导系统影响研究[J]. 航空兵器， 2013（2）： 32-35.

    Zhou Taopin， Li Younian. Effect of Seeker Disturbance Rejection Rate on Guidance System [J]. Aero Weaponry， 2013 （2）： 32-35.（in Chinese）

    [7] 王新龙， 谢佳， 王君帅. SINS/GPS不同组合模式适应性分析与验证[J]. 航空兵器， 2013（3）： 3-8.

    Wang Xinlong， Xie Jia， Wang Junshuai. Adaptability Analysis and Validation of Different SINS/GPS Coupled Modes [J]. Aero Weaponry， 2013 （3）： 3-8.（in Chinese）

    [8] 张延杰. MIMO天线耦合特性研究[D]. 西安： 西安电子科技大学， 2012.

    Zhang Yanjie. Research on the Coupling of MIMO Antenna [D]. Xian： Xidian University， 2012.（in Chinese）

    [9] 李淑青， 周泰. 互耦对微带阵列天线特性影响的分析[J].现代雷达， 1995， 17（3）： 57-63.

    Li Shuqing， Zhou Tai. Study of the Effect of Mutual Coupling on the Characteristics of Microstrip Array Antennas [J]. Journal of Modern Radar， 1995， 17 （3）： 57-63.（in Chinese）

    [10] 兰关军， 尚军平， 邓颖波. 阵列天线互耦的矩量法分析[J].电子科技， 2008， 21（8）： 13-16.

    Lan Guanjun， Shang Junping， Deng Yingbo. Analysis of the Antenna Array by MOM [J]. Electronic Science and Technology， 2008， 21（8）： 13-16.（in Chinese）

    [11] 王垚， 杨莘元， 冯春楠， 等. 互耦对阵列天线辐射特性的影响[J].应用科技， 2008， 35（10）： 1-4.

    Wang Yao， Yang Shenyuan， Feng Chunnan， et al. The Effects of Mutual Coupling on Performance of Array Antenna [J]. Applied Science and Technology， 2008， 35（10）： 1-4.（in Chinese）

    [12] Assimonis S D， Yioultsis T V， Antonopoulos C S. Computational Investigation and Design of Planar EBG Structures for Coupling Reduction in Antenna Applications [J]. IEEE Transactions on Magnetics， 2012， 48（2）： 771-774.

    [13] 陈利.基于小间距低耦合阵元的高增益多波束微带阵列天线研究[D]. 郑州： 解放軍信息工程大学， 2013.

    Chen Li. Research on HighGain MultiBeam Microstrip Array Antenna Based on Mutual Coupling Reduction between Closely Spaced Elements [D]. Zhengzhou： PLA Information Engineering University， 2013.（in Chinese）

    [14] 谢欢欢.电磁带隙结构及在天线设计中的应用研究[D]. 西安： 西安电子科技大学， 2011.

    Xie Huanhuan. Electromagnetic Band Gap Structures and Their Application Study in Antenna Design [D]. Xian： Xidian University， 2011. （in Chinese）

    [15] Miyashita H， Sunahara Y， Ishii R， et al. An Analysis of Antenna Coupling between Arrays on a Polyhedron Structure[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation， 1993， 41（9）： 1242-1248.