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(shù)，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(guò)應(yīng)用調(diào)整陣元間距、天線陣元排布方向和采用微波光子晶體結(jié)構(gòu)等三種去耦技術(shù)，能夠使天線陣元隔離度提高3dB以上，在小型化衛(wèi)星接收設(shè)備研制方面具有可觀的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】 共基板天線陣列 去耦 微波光子晶體結(jié)構(gòu) 小型化

一、引言

多陣元微帶天線陣列作為衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾終端設(shè)備的最前端， 其性能與接收效果直接相關(guān)。目前導(dǎo)航設(shè)備逐漸向集成化、小型化發(fā)展，天線陣列體積相應(yīng)減小，隨之帶來(lái)耦合增大、增益降低的問(wèn)題，無(wú)可避免地降低了天線的輻射效率[1]。當(dāng)天線陣元間距小于四分之一波長(zhǎng)時(shí)，陣元之間的互耦就會(huì)變得特別劇烈，并隨著陣元間距的進(jìn)一步減小而急劇增大。因此，在布陣面積受限的天線陣設(shè)計(jì)中，如何降低天線之間的耦合成為一個(gè)研究的熱點(diǎn)。

二、去耦關(guān)鍵技術(shù)

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(gè)北斗二號(hào)B3頻點(diǎn)微帶天線陣列，當(dāng)陣元間距分別為、、和時(shí)，隔離度數(shù)值如表1所示，可以得出結(jié)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(guò)采用天線陣元小型化設(shè)計(jì)的方法來(lái)增大陣元間距：如采用共高介電常數(shù)介質(zhì)基片設(shè)計(jì)[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(diào)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(guān)系。因此相鄰的貼片輻射邊平行正對(duì)，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(chǎn)生較強(qiáng)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(zhuǎn)關(guān)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?？梢缘贸鼋Y(jié)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(yōu)選圓陣分布陣列。

2.3微波光子晶體結(jié)構(gòu)

在共基板小型化天線陣結(jié)構(gòu)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(lái)決定 [4]。針對(duì)此特定的天線結(jié)構(gòu)，結(jié)合工程實(shí)際，采用高阻抗面微波光子晶體結(jié)構(gòu)[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(jié)構(gòu)，此小貼片陣列與微帶天線共面，每一個(gè)貼片中心都有一個(gè)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(dāng)小貼片單元間距約為時(shí)，帶隙中心頻率的可調(diào)整自由度達(dá)到最高，能在相應(yīng)頻帶出現(xiàn)較顯著的帶隙效應(yīng)[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(jì)算機(jī)仿真與分析

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

然后設(shè)置微波光子晶體結(jié)構(gòu)各項(xiàng)參數(shù)：加入5行40列的小貼片正方形，其邊長(zhǎng)為3mm，過(guò)孔半徑為0.5mm。單元與單元之間的間隙寬度是0.4mm，過(guò)孔與過(guò)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(guò)數(shù)值算法反復(fù)優(yōu)化，調(diào)整各個(gè)參數(shù)變量，使隔離度達(dá)到最優(yōu)。最終仿真結(jié)果如圖5所示：加入高阻型微波光子晶體的基板呈現(xiàn)出顯著的帶隙特性，在1.23～1.30GHz出現(xiàn)了明顯頻率禁帶，有力抑制了落入此帶范圍內(nèi)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(jié)論

通過(guò)研究小型化天線陣去耦技術(shù)，分析了針對(duì)共基板小型化微帶天線陣的隔離措施。得出以下結(jié)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(yīng)用高阻型光子晶體結(jié)構(gòu)，在采用以上兩種措施的基礎(chǔ)上，能進(jìn)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(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 謝處方.近代天線理論.成都：成都電訊工程學(xué)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(shù)研究。微波學(xué)報(bào)，2008，24（4）：46～48

[3] 鐘順時(shí).微帶天線理論與應(yīng)用.西安：西安電子科技大學(xué)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(guó)防科技大學(xué)研究生院。2006。

[6] 閆敦豹， 張國(guó)華， 高 強(qiáng)， 袁乃昌等. EBG 結(jié)構(gòu)在微帶天線陣中的應(yīng)用[J]. 微波學(xué)報(bào)， 2005，21（增刊）： 75～78