緊湊型頻率選擇表面在單極子天線陣解耦中的應用研究

胡立忠 閭建詳 姚建國 周亮

摘 要： 通過在方形金屬貼片上構造大量縫隙和環，改進設計了一種小型化頻率選擇表面結構，其電尺寸極小，僅為[0.063λ0×0.063λ0]（[λ0]是天線在自由空間工作波長）。采用CST軟件對這種結構的頻率響應特性進行了系統的分析和討論，其具有良好的阻帶特性以及角度和極化穩定性。基于該頻率選擇表面的頻率選擇特性設計了一款二元單極子天線陣，通過在天線間加載頻率選擇表面，有效地抑制了天線間的空間波耦合，使天線間互耦下降了9.7 dB，并且天線增益提高、方向性變好。因此，該頻率選擇表面在設計高性能天線陣方面具有廣闊的應用前景。

關鍵詞： 頻率選擇表面； 單極子天線陣； 解耦； 電磁特性

中圖分類號： TN826?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）05?0081?04

0 引 言

解耦是天線研究領域的一個重要分支，天線陣單元間由于近場效應和表面波的相互作用不可避免的會產生耦合[1?2]。天線間的互耦可以導致陣元與饋電網絡之間阻抗失配、副瓣電平增大、陣元方向圖畸變以及掃描盲點等一系列惡劣結果。通常在設計制作天線陣時，天線單元間距需要控制在[λ02]以上來確保單元間合適的隔離度和低相關性。然而，這勢必會造成天線陣信道容量下降，并且與現代無線通信設備日益增長的高集成化和小型化的發展趨勢相違背。

常用的解耦方法有在多天線單元之間加入諧振槽或缺陷地結構[3]、電磁帶隙結構[4]、頻率選擇表面（Frequency Selective Surface，FSS）[5]、單負超材料[6]等各類填充結構，利用它們的帶阻特性在天線工作頻率范圍內形成頻率禁帶，從而實現降低天線單元間互耦和提升天線陣性能的目的。

本文研究分析了一種小型化頻率選擇表面，采用CST軟件對FSS的頻率響應特性進行了系統的分析和討論，其具有良好的阻帶特性以及角度和極化穩定性。利用FSS的頻率選擇特性設計了一款弱耦合緊湊型二元單極子天線陣，通過在天線間加載頻率選擇表面，天線間互耦下降了9.7 dB，解耦效果顯著，并且天線單元的遠場輻射特性得到優化。

2 基于FSS的弱耦合二元單極子天線陣設計

利用頻率選擇表面的電磁濾波特性，通過在天線陣單元間加載頻率選擇表面可以抑制天線間的耦合，從而縮小天線單元間距并提高天線陣性能。基于這一思想，本節設計了一款小間距低耦合的二元單極子天線陣，其結構如圖5所示。兩天線間加載的是一塊4×3的FSS陣列，其中FSS采用的是上一節所設計的工作在1.9 GHz的頻率選擇表面。金屬地板的面積為60 mm×60 mm，介質環采用的是介電常數為2.65，厚度為3 mm的介質材料，通過參數優化設計使天線陣與頻率選擇表面的工作頻點相一致，均為1.9 GHz。天線陣的結構參數如表4所示。

為了驗證頻率選擇表面的解耦效果，對未加載FSS的參考天線陣和加載FSS的天線陣進行了加工制作和測試，天線實物如圖6所示，這里參考天線陣所取的物理參數與所設計的FSS加載天線陣完全相同。采用矢量網絡分析儀N5230C對天線陣的二端口S參數進行測試，仿真和測試結果如圖7所示。從圖7中可以看出，仿真和測試結果吻合較好，加載FSS的天線陣與參考天線陣的S11在工作頻段均優于-15 dB并且諧振頻點無偏移，說明頻率選擇表面的引入并未影響天線陣的阻抗匹配。測試結果顯示，通過加載FSS，天線陣的S21峰值從-9.3 dB下降到-19 dB，降幅達到9.7 dB，說明天線間的互耦得到顯著抑制，這正是因為FSS的空間濾波特性，使得電磁能量在兩天線間無法傳遞，從而減小了天線間的耦合作用。

為了研究FSS的引入對天線陣遠場輻射特性的影響，在微波暗室中對天線陣的輻射方向圖進行了測試，測試時其中一個天線單元饋電，另外一個加載50 Ω匹配負載，這樣測得的便是陣元的方向圖。圖8（a）是天線陣在1.9 GHz處的H面方向圖，它位于圖5中的[xOy]平面。FSS加載天線陣的電磁能量更集中于某一特定區域，這樣其方向性和增益更好，結果顯示加載FSS后天線陣的增益從1.08 dB增加到3.09 dB。圖8（b）是E面方向圖，它位于圖5中的[xOz]平面，同樣顯示其前向增益提高并且方向性更好。另外值得一提的是兩天線相距很近，[l2=λ08，]這對于設計小型化天線陣具有重要意義。

3 結 語

本文研究了一種小型化頻率選擇表面，分析了其電磁特性，驗證了其具有帶阻特性好、小型化程度高、穩定性好等優點。基于該FSS的頻率選擇特性設計了一款二元單極子天線陣，通過在天線間加載頻率選擇表面，天線間耦合下降了9.7 dB，并且天線的增益提高、方向性變好。這些都說明該FSS在設計小型化、高性能天線陣中具有很好的應用價值。

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