缺陷地結(jié)構(gòu)在微帶天線間互耦抑制中的運用

2016-10-10 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1 引言

微帶天線由于具有其相對于其它天線的獨特優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于各種通信系統(tǒng)以及雷達、遙感勘測、導(dǎo)航以及生物醫(yī)學等其它領(lǐng)域。隨著信息技術(shù)的發(fā)展,需要研究和發(fā)展具有更好性能的微帶天線和陣列。為了獲得高的增益以及獲得波束掃描或波束控制等性質(zhì),需要將離散的天線單元組成陣列。在陣列環(huán)境中,天線單元之間存在能量上的相互耦合,使天線的性能降低。通常微帶貼片間的互耦是由空間波和表面波同時引起的。研究表明,當天線的介質(zhì)基片厚度較小時,單元間耦合主要是通過空間波進行的,表面波的影響可以忽略不計。對于較厚的基片,表面波的影響將加大,介質(zhì)基片越厚,激勵起的表面波模數(shù)越多,將有更多的功率耦合到激勵起的多個模式中。當兩天線單元間距超過一定數(shù)值時,表面波的耦合開始起主導(dǎo)作用?；ヱ钚?yīng)的存在將影響天線的方向圖,輸入阻抗以及陣列的增益,在天線陣的設(shè)計中必須考慮。

為了減小天線單元之間的互耦,采用了光子帶隙(photonic bandgap)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)或者是在地板上蝕洞或者是在介質(zhì)中打孔,以形成對于表面波傳播模式的頻率阻帶,從而抑制表面波,減小耦合。這種方法雖然可以提高天線的輻射效率,但要在介質(zhì)中周期性的打孔,制作過程麻煩,而在地板上大量蝕刻周期圖案將導(dǎo)致天線的放置受到限制。則利用電磁帶隙材料 (EBG)的帶隙特性抑制表面波的傳播,降低天線互耦。EBG結(jié)構(gòu)是由若干個單元組成的陣列構(gòu)成,因此結(jié)構(gòu)分析比較復(fù)雜。

和PBG結(jié)構(gòu)類似,DGS結(jié)構(gòu)也是通過在電路的接地板上刻蝕出缺陷圖案(defected pattern),以改變電路襯底材料有效介電常數(shù)的分布,從而改變基于該介質(zhì)上微帶線的分布電感和分布電容,進而使得此類微帶線具有帶隙(bandgap)特性和慢波(slow-wave)特性,具有制作簡單、體積小、便于集成等優(yōu)點。與EBG(PBG)結(jié)構(gòu)相比DGS結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于無需建立周期結(jié)構(gòu)即可在某些頻率點產(chǎn)生諧振,提供良好的帶隙特性,且只需用一個簡單的LC等效電路模型就可表征,可進行電路級快速分析。在同等工藝條件和性能要求上,對考慮電路尺寸而帶來經(jīng)濟成本變動較敏感的集成電路行業(yè)而言,以及當前對無線通信設(shè)備的小型化需求,DGS結(jié)構(gòu)比EBG(PBG)結(jié)構(gòu)更具有競爭力。目前,該結(jié)構(gòu)已被廣泛應(yīng)用于微波電路的分立部件設(shè)計中,如微帶線、濾波器、諧振腔、放大器、振蕩器、天線等。

然而據(jù)作者所知,很少有文獻研究DGS對陣列天線單元之間互耦的作用。本文利用Ansoft HFSS仿真軟件分析DGS的頻率特性,利用電磁場仿真結(jié)果和Ansoft Designer的電路仿真結(jié)果提取其等效電路的參數(shù)值,并研究缺陷地結(jié)構(gòu)對陣列天線單元之間互耦以及天線性能的影響。為充分說明DGS結(jié)構(gòu)對天線性能參數(shù)的影響,文中還同時給出了具有相同結(jié)構(gòu)尺寸的普通貼片天線陣列的性能參數(shù),并將兩者進行了比較。

2 DGS結(jié)構(gòu)及其帶隙特性

本文中設(shè)計了阻帶中心頻率約為6.5GHz的DGS結(jié)構(gòu)。電路采用介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)為10.2,厚度為2mm,微帶線為普通50Ω阻抗線,寬度為3mm。DGS結(jié)構(gòu)由兩個背靠背的U形槽構(gòu)成,如圖1所示。DGS結(jié)構(gòu)參數(shù)為l1=3.3mm, w1=7.4mm, g= 4.5mm,s=1.5mm。蝕刻的單個U形槽可以等效為LC并聯(lián)電路,如圖2所示。改變DGS的參數(shù)也必將改變其頻率特性和等效的LC參數(shù)值。

本文采用Ansoft HFSS對微帶線的傳輸特性進行了仿真,仿真結(jié)果如圖3所示。結(jié)果顯示該DGS微帶傳輸線具有很寬的阻帶特性,從5.64GHz到7.26GHz損耗都大于20dB,帶內(nèi)最低點達到38.6dB。

DGS單元的頻率特性曲線與雙極點巴特沃斯低帶阻濾波器的響應(yīng)相似,都可由其3dB截止頻率和諧振頻率決定。因此,令LC并聯(lián)的等效阻抗與雙極點巴特沃斯帶阻濾波器的阻抗相等,則可求出LC并聯(lián)電路的電感值和電容值。由仿真結(jié)果提取的DGS等效電路參數(shù)值分別為:L1=1.682nH, C1=0.400pF, L2=1.747nH, and C2=0.321pF。圖3是DGS單元的三維場仿真結(jié)果與其等效LC電路仿真結(jié)果的比較。仿真結(jié)果顯示,兩者的頻率特性曲線基本一致, DGS單元可用LC并聯(lián)電路等效。

圖1 DGS微帶線示意圖

圖2 DGS微帶線等效電路圖

3 微帶陣列天線的設(shè)計與分析

高介電常數(shù)有利于減小天線單元尺寸,而增加介質(zhì)厚度可以展寬帶寬。但是這樣也會使表面波的激勵更嚴重,從而導(dǎo)致強烈的耦合以致天線性能降低。文獻[10]研究了介電常數(shù)和介質(zhì)厚度對微帶天線單元之間耦合的影響。研究表明,當基板較厚時,微帶天線陣元E面的互耦在介電常數(shù)較大時比較強烈,而H面的互耦在介電常數(shù)比較小的時候比較強烈。在這里我們選取介電常數(shù)為10.2 ,基板的厚度為2mm的基底,此時,E面的互耦明顯強于H面的互耦。我們設(shè)計了一個使用同軸饋電的E面耦合的二元陣,結(jié)構(gòu)如圖4。微帶天線單元的尺寸為:6.8mm × 4mm,兩天線單元之間的距離為36.9mm (0.75lg)。

為了降低E面的耦合,我們在陣元之間引入DGS結(jié)構(gòu),當天線的輻射頻率正好落在DGS的帶阻頻段的時候,表面波被抑制,從而減小了陣元之間的耦合。

圖3 DGS單元的仿真結(jié)果

(a)

(b)

圖4 二元天線陣結(jié)構(gòu)圖(a)俯視圖(b)背視圖

我們分別計算和測試了帶有DGS結(jié)構(gòu)和不帶DGS結(jié)構(gòu)兩種情況下的插入損耗和回波損耗,如圖5、圖6所示?；宀患覦GS結(jié)構(gòu)的普通貼片天線陣列的工作頻率為f 0= 6.04 GHz,引入DGS結(jié)構(gòu)之后,天線的工作頻率幾乎沒有偏移,這說明DGS對天線諧振頻率的影響很小。從S21參數(shù)可以看出,在天線單元E面間引入DGS結(jié)構(gòu)以后,天線之間的耦合明顯降低。在工作頻率上,天線陣元之間的耦合從沒有DGS結(jié)構(gòu)存在時的-16.9dB降低到了有DGS結(jié)構(gòu)時的-25.9dB,減小了9dB。

圖5 仿真與測試的回波損耗

圖6 仿真與測試的插入損耗

這說明了DGS結(jié)構(gòu)能夠有效的削弱陣列單元之間的耦合作用。

為了進一步看出DGS對天線的遠場輻射特性的改善作用, 圖7比較了兩種不同結(jié)構(gòu)的陣列天線在諧振頻率處的E面輻射方向圖?？梢钥闯?E面方向圖的改善是明顯的, 整個的波束更加收攏,第一副瓣電平的相對值減小了3dB,增益增加不是很明顯,提高了大約1dB。可見該DGS結(jié)構(gòu)可以降低天線陣元之間的耦合,減小旁瓣電平,提高天線的增益,從而改進天線陣的輻射性能。

4 結(jié)語

本文著重研究了一種DGS結(jié)構(gòu)的帶阻特性,及其對微帶天線陣的影響。將其應(yīng)用于微帶貼片陣上,并將其與未加DGS結(jié)構(gòu)的微帶天線陣進行了比較。結(jié)果分析表明,該DGS結(jié)構(gòu)能夠明顯降低天線陣元之間的耦合,增大天線的增益,對天線性能有明顯的改善作用。