微帶天線間互耦抑制中缺陷地結(jié)構(gòu)的運(yùn)用分析

1 引言
　　微帶天線由于具有其相對(duì)于其它天線的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種通信系統(tǒng)以及雷達(dá)、遙感勘測(cè)、導(dǎo)航以及生物醫(yī)學(xué)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(shí)引起的。研究表明，當(dāng)天線的介質(zhì)基片厚度較小時(shí)，單元間耦合主要是通過空間波進(jìn)行的，表面波的影響可以忽略不計(jì)。對(duì)于較厚的基片，表面波的影響將加大，介質(zhì)基片越厚，激勵(lì)起的表面波模數(shù)越多，將有更多的功率耦合到激勵(lì)起的多個(gè)模式中。當(dāng)兩天線單元間距超過一定數(shù)值時(shí)，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(jì)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(duì)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(gè)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(jìn)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(jiǎn)單、體積小、便于集成等優(yōu)點(diǎn)。與EBG（PBG）結(jié)構(gòu)相比DGS結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)需建立周期結(jié)構(gòu)即可在某些頻率點(diǎn)產(chǎn)生諧振，提供良好的帶隙特性，且只需用一個(gè)簡(jiǎn)單的LC等效電路模型就可表征，可進(jìn)行電路級(jí)快速分析。在同等工藝條件和性能要求上，對(duì)考慮電路尺寸而帶來經(jīng)濟(jì)成本變動(dòng)較敏感的集成電路行業(yè)而言，以及當(dāng)前對(duì)無(wú)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(jìng)爭(zhēng)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(jì)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(xiàn)研究DGS對(duì)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(chǎng)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(duì)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(duì)天線性能參數(shù)的影響，文中還同時(shí)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(jìn)行了比較。
　　2 DGS結(jié)構(gòu)及其帶隙特性
　　本文中設(shè)計(jì)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(duì)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(gè)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(gè)U形槽可以等效為L(zhǎng)C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(duì)微帶線的傳輸特性進(jìn)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(diǎn)達(dá)到38.6dB。
　　DGS單元的頻率特性曲線與雙極點(diǎn)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(diǎn)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(chǎng)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