新型電單負材料結構在天線互耦抑制中的應用

仇玉杰 姜興 彭麟 姜祥奔

(桂林電子科技大學信息與通信學院, 桂林 541004)

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新型電單負材料結構在天線互耦抑制中的應用

仇玉杰 姜興 彭麟 姜祥奔

(桂林電子科技大學信息與通信學院, 桂林 541004)

單負材料所具有的電磁禁帶特性可應用于陣列天線中降低天線單元間的互耦．文中研究設計了一種電單負材料結構單元ENG-APSL,采用等效電路和波導傳輸法分析了ENG-APSL的電磁特性,并提取等效參數．然后,將基于ENG-APSL單元構成的隔離器用于抑制微帶陣列單元間的互耦．研究表明,天線陣列單元間距為0.37λ0(λ0為天線工作頻率波長)條件下,加載隔離器后天線陣列單元的E面耦合度降低了21 dB,并且在工作頻率(5.1 GHz)附近隔離度大于25 dB的帶寬達到5.1%．同時,該隔離器具有結構簡單、尺寸小的突出優勢．

電單負材料;陣列天線;互耦抑制;隔離器;展寬帶寬

DOI 10.13443/j.cjors.2016043001

引 言

工程上,陣列天線系統中的天線單元并不是孤立的,每一個天線單元工作時都與其它單元之間存在電磁耦合,我們把這種現象稱為陣列天線的互耦效應[1]．尤其在小間距陣列天線系統中,比如多入多出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)系統[2],互耦效應將對陣列天線的性能造成不利影響,比如輻射方向圖失真、輸入阻抗變化等[3]．在陣列天線小型化的發展趨勢下,互耦問題成為制約陣列天線性能提高的關鍵問題．目前,應用于減小陣列天線互耦效應的主要方法之一就是在陣列天線設計中引入某些特殊結構從而對互耦進行抑制,比如電磁帶隙結構[4](Electromagnetic Bandgap,EBG),缺陷地結構[5-6](Defected Ground Structure,DGS)等．文獻[4]中天線單元間加入EBG結構后陣元之間的耦合降低了8 dB．但其中EBG結構需要多個周期,因而要占據較大的空間且制作工藝復雜,這樣使得設計緊湊的陣列天線變得非常困難．文獻[6]中將雙螺旋DGS結構加載于天線背面,天線之間的耦合度降低了23 dB,單元間的互耦得到了很好的抑制．但是,DGS結構需在地板上開槽縫,而這些縫隙將泄漏電磁能量,產生后向輻射．

目前,電磁超介質中的單負材料(Single-Negative Metamaterial,SNG)因其在特殊頻段內呈現的帶阻電磁特性而被應用于抑制陣列天線互耦．單負材料是指材料在特殊的頻段具有電單負(Epsilon-Negative,ENG)和磁單負(Mu-Negative, MNG)特性,換言之,單負材料的介電常數ε和磁導率μ有且僅有一個為負值(εμ<0),從而材料中傳播常數β為0且衰減常數α大于0[7]．可見,電磁波在(SNG)中以凋落波的模式存在,因此SNG具有帶阻特性[8]．文獻[9-12]中設計了單負材料隔離器并將其應用于二元微帶陣列天線互耦抑制．文獻[10]中天線在工作頻段內單元間H面耦合降低了9.74 dB,并且天線單元間距為λ0/8.08(λ0為天線工作頻率波長)． 文獻[9-12]中的單負材料隔離器均是應用于抑制平面微帶天線H面互耦．但是,當天線單元間距一樣時,E面耦合比H面耦合更強[16]．本文設計了一種基于反向螺旋(Anti-Parallel-Spiral,APSL)結構的電單負諧振單元(Epsilon-Negative Anti-Parallel-Spiral-Shaped Resonator,ENG-APSL resonator),分別利用結構的等效LC諧振電路和等效媒質參數分析ENG-APSL的電磁特性．然后利用ENG-APSL單元構造單負材料隔離器并采用多點諧振法來提高隔離器的帶寬．最終將ENG-APSL隔離器應用于二元微帶陣列天線單元間實現互耦抑制．在天線單元間距為0.37λ0情況下,加載ENG-APSL隔離器的天線單元間E面耦合度降低了21 dB．同時,ENG-APSL隔離器的引入并未對天線陣列性能產生明顯影響．本文設計工作進行了仿真和測試,實測結果與仿真結果較為吻合．

1 單負材料隔離器設計與分析

1.1 ENG-APSL諧振單元的設計及分析

電磁超介質一般存在磁諧振特性和電諧振特性．磁諧振結構的主要代表就是開口諧振環(Slit-Ring Resonator,SRR)結構[3],在磁場的激勵下結構發生磁諧振產生負磁導率．電諧振結構主要包括金屬短截線、金屬彎折線等．在外加電場的激勵下,單元結構產生電諧振,從而在諧振頻段產生負介電常數．基于這種思路,采用反向螺旋金屬線(Anti-Parallel-Spiral,APSL)結構,如圖1所示．為了增強結構的電諧振效果,在兩條螺旋金屬線起點處設計了接背面金屬的過孔(vias)．為了敘述方便,將這種構造的電單負諧振單元稱之為ENG-APSL．

(a) ENG-APSL單元結構

(b) ENG-APSL單元等效電路圖1 ENG-APSL單元結構示意圖及其等效電路

如圖1 (a)所示,ENG-APSL結構為正方形,由金屬螺旋線、過孔以及背面金屬組合而成．該結構構建在Arlon AD260A介質板上,介電常數為2.6,損耗角正切tanδ=0.001 7,厚度h為1 mm．單元結構參數為a=4 mm,單元結構周期長度p=4.5 mm,金屬線末端枝節長度le=2.2 mm,螺旋金屬線寬d=0.3 mm,金屬線間隙g=0.3 mm．首先利用ENG-APSL結構的等效LC電路進行分析．

ENG-APSL單元結構的等效LC電路如圖1 (b)所示．當變化的磁場穿過結構時,根據鏡像原理,由于結構中的過孔(vias)接地,ENG-APSL結構形成電流回路[13]．此時金屬線及vias可等效為電感Ls,金屬線之間的間隙可等效為電容Cs．通過計算得到Ls和Cs的值．根據公式(1)得到等效電感Ls的值:

Ls=μ0F.

(1)

式中：真空磁導率μ0=4π×10-7H/m;F=a2/p為ENG-APSL單元結構比重系數[14]．

電容Cs由螺旋金屬線之間的間隙形成．首先計算出每兩條金屬線之間的單位長度電容值(Ci,Ce)[15]:

(2)

(3)

式中：Ce為外沿金屬線與內側金屬線之間的電容值;Ci為內側金屬線之間的電容值;η為金屬線比;K(k)為第一類完全橢圓積分,

(4)

因為Ci和Ce為并聯,根據公式(2)得到ENG-APSL結構的單位長度等效電容C:

(5)

ENG-APSL單元TEM波導仿真模型如圖2所示．采用波導激勵法,電磁波入射方向為y軸方向,磁場和電場分別為x和z方向．其中,TEM波導在y軸方向分別為端口1和端口2,在x軸方向設為理想磁邊界條件(Perfect Magnetic-Boundary Condition,PMC)．圖3為ENG-APSL的傳輸特性．由圖可知,在4.6 GHz到4.65 GHz的頻段范圍內S21達到-5 dB以下,阻礙了大部分電磁波傳輸,形成阻帶．在4.62 GHz (f2)處出現最小傳輸系數,此為ENG-APSL的諧振頻率．這與前文中ENG-APSL結構等效電路計算得出的諧振頻率(4.96 GHz)存在微弱偏差．同時,S參數在3.3 GHz (f1)處同樣出現“躍變”(在3.3 GHz處S11出現極大值,S21出現極小值),但是不能形成有效阻帶．

圖2 ENG-APSL單元結構TEM波導仿真模型

圖3 ENG-APSL單元傳輸特性

圖4所示為利用S參數提取法獲得ENG-APSL的等效介電常數εeff和等效磁導率μeff．可見,ENG-APSL結構的磁導率實部Re(μeff)在3.3 GHz (f1)處出現了一個微弱的“抖動”,呈現出Re(μeff)為負且Re(εeff)為正的磁諧振特性．同時,介電常數實部Re(εeff)曲線在4.6 GHz處出現極大值,然后迅速下降并在4.66 GHz處出現極小值,最后上升趨于平緩．Re(εeff)在頻段4.58 GHz到4.68 GHz為負值,因為頻段內磁導率為正,所以該頻段可稱為ENG頻帶．ENG-APSL結構單元分別在頻率f1和f2出現磁諧振與電諧振,這說明單元結構在f1和f2處都具有單負材料的阻帶特性．但是,由圖4可知,f1處磁諧振響應較弱,并且阻帶帶寬極小,難以獲取滿意的阻帶特性．因此,ENG-APSL結構的電諧振頻率f2附近的ENG頻段更適合作為隔離頻帶．另外,通過對分析結果的比較發現,圖3和圖4體現的ENG-APSL單元結構的電磁特性基本是吻合一致的．這也間接說明,相比于等效LC諧振電路的分析結果,ENG-APSL單元結構利用TEM波導計算的結果更為準確與直觀．

圖4 ENG-APSL單元的等效媒質參數

1.2 基于ENG-APSL單元構造的隔離器的研究

圖5(a)所示為由ENG-APSL單元組成的隔離器結構示意圖,由1×11個ENG-APSL單元周期排列組成單層形式,周期為p=0.45 mm,末端枝節長度le=2.2 mm．同樣采用TEM波導仿真模型對單層ENG-APSL隔離器進行特性分析．仿真計算得到此單層ENG-APSL隔離器的傳輸特性曲線,如圖5(b)所示．可見,在4.68 GHz到4.71 GHz的頻段內S21為-5 dB以下,隔離器呈阻帶特性,阻礙了大部分電磁波的傳輸．ENG-APSL隔離器的諧振頻率為4.69 GHz．因此,4.68 GHz到 4.71 GHz的頻段范圍為工作隔離頻段,頻段帶寬為0.6%．

(a)單層ENG-APSL隔離器 (b)單層隔離器的傳輸特性圖5 單層ENG-APSL隔離器結構示意圖及其傳輸特性

根據第1.1節,ENG-APSL單元LC等效電路中的Ls和Cs的值由結構尺寸參數決定．因此,改變單元的參數,相應地其諧振頻率也隨之改變．圖6給出了ENG-APSL單元結構中螺旋線末端枝節長度le對單層隔離器的諧振頻點的影響,同時其它參數保持不變．由圖可知,當le=1.6 mm時,諧振頻率為4.76 GHz;當le=1.8 mm時,諧振頻率為4.74 GHz;當le=2.4 mm時,諧振頻率為 4.68 GHz．容易看出,單層ENG-APSL隔離器的諧振頻率隨著其金屬線末端枝節長度的減小而增大．因此,通過改變le,隔離器可以分別獲得相鄰的諧振頻率．

圖6 le的變化對單層ENG-APSL隔離器諧振頻率的影響

由圖5(b)可知,單層ENG-APSL隔離器的隔離頻寬僅為0.6%．為了提高隔離帶寬,根據圖6中le對諧振頻點影響的結果,采用了激勵多個相鄰近的諧振頻點的方法設計了雙層和三層隔離器．結構分別如圖7(b)和(c)所示,雙層和三層的結構分別由2×11和3×11個ENG-APSL單元周期排列構成．經過仿真優化,與單層結構相比,雙層ENG-APSL隔離器單元的le值從左至右分別為2.2 mm和1.5 mm,其它參數不變．同樣地,三層ENG-APSL結構中le值分別為1.8 mm、2.2 mm、2.1 mm．

由圖8可知,雙層ENG-APSL隔離器的5 dB隔離頻段為4.99 GHz到5.05 GHz,諧振頻率為5.02 GHz;三層ENG-APSL隔離器的5 dB隔離頻段為5.04 GHz到5.12 GHz,諧振頻率為5.08 GHz．單層ENG-APSL隔離器的工作隔離帶寬為0.6%,而雙層和三層結構的帶寬分別為1.2%和1.6%,可見,三者的帶寬隨著諧振點的增加而提高．因此采用激勵多諧振點法來提高帶寬是行之有效的方法．但是,相比于單層結構(諧振頻點4.69 GHz),雙層和三層結構的諧振頻率也都發生了明顯的偏移(分別上移330 MHz和390 MHz),與圖5(b)呈現的情況一致．這種現象應該是由于ENG-APSL隔離器的LC等效諧振電路中的等效參數值(Ls,Cs)的下降造成的．為了直觀地說明諧振頻率偏移的原因,分別還仿真了ENG-APSL單元以及其構造的三種隔離器的電流分布(見圖9)．

(a) 單層 (b) 雙層 (c) 三層圖7 三種ENG-APSL隔離器結構示意圖

圖8 單層、雙層及三層ENG-APSL隔離器傳輸特性比較

根據圖9(a)給出的ENG-APSL單元的電流分布,兩條金屬螺旋線相對應位置處的電流是等值反向的．在單元周期排列后,單元間鄰近的金屬線上的電流發生反向抵消現象,如圖9(b)、(c)和(d)所示,從而進一步造成LC諧振電路中等效參數值下降,因此多層結構的ENG-APSL隔離器出現諧振頻率上移．同時,通過增加多諧振頻點方法來展寬多層ENG-APSL隔離器的隔離帶寬,但是這種電流抵消造成結構等效LC電路參數的變化使得增加的諧振頻點也產生了變化．

圖9 ENG-APSL單元及其構成的三類隔離器的電流分布

2 ENG-APSL隔離器的應用

將三層ENG-APSL結構隔離器加載于二元微帶天線陣陣元間,如圖10所示．二元微帶天線陣工作頻率設為5.1 GHz,天線單元采用矩形微帶貼片,兩個貼片沿天線的E面放置,貼片尺寸為W×L(21 mm×17 mm),采用同軸饋電．單元之間的距離為D=0.37λ0,λ0為工作波長．介質板材同樣選用Arlon AD260A．天線陣尺寸為60 mm×100 mm．圖11所示為加載ENG-APSL隔離器的天線實物圖片．

圖10 加載ENG-APSL隔離器的二元微帶天線陣示意圖

(a)正面 (b)背面圖11 加載ENG-APSL隔離器的天線陣實物

分別對加載ENG-APSL隔離器前后天線的S參數進行了仿真和測試,如圖12(a)和(b)所示．由實測數據與仿真結果的比較可知,無論是參考天線陣還是加載隔離器的天線陣的實測工作頻率都發生了同樣的偏移現象,這應該是由于所用介質板不均勻造成的．由圖12(a)可知,在未加載ENG-APSL隔離器情況下,從S21可知仿真得到的單元間耦合系數為-19 dB以及測試得到的耦合系數為-15 dB．由于加工工藝原因,實測值與仿真值相比,大概有4 dB左右的誤差．由圖12(b)可知,在天線加載ENG-APSL隔離器以后,無論是仿真還是測試,單元間耦合系數(S21)都有所降低．在相應的天線工作頻率處,仿真結果中天線陣元之間的耦合降到為-34 dB．實測中單元間耦合系數整體低于-21 dB,并且在相應工作頻率處出現明顯下降到-36 dB．因此,實測結果表明,在加入ENG-APSL隔離器后天線陣元之間的耦合度降了21 dB,并且在天線工作頻率(5.1 GHz)附近隔離度大于25 dB的帶寬達到5.1%．

(a) 未加載隔離器

(b) 加載隔離器圖12 加載ENG-APSL隔離器前后天線仿真與測試的S參數對比

在天線的輻射面加入金屬結構,肯定會對天線性能產生影響．因此,在研究工作中,在保證天線陣列引入隔離器件有效抑制互耦的前提下,同時應該做到隔離器對天線性能的影響盡量減小．圖13對比了加載ENG-APSL隔離器前后天線陣增益方向圖的變化情況．可見,相比于未加載隔離器情況下,加載隔離器后天線陣的E面方向圖方向性不變,但是主波束略微變窄以及旁瓣略微提升．天線陣H面方向圖無明顯變化．同時,加載隔離器前后天線陣增益均基本不變．因此,ENG-APSL隔離結構在對微帶天線陣列單元間互耦進行抑制的同時,天線陣的工作性能并未出現明顯變化．

如圖14所示,仿真了加載ENG-APSL隔離器前后兩種情況下,天線陣輻射面的電流分布．仿真時,只激勵單個天線,另一天線終端接50 Ω匹配電阻．由電流分布對比可知,加載ENG-APSL隔離器后,電流密度減小,這說明輻射面的表面波受到了抑制,從而使得天線單元間E面耦合得到降低．

圖13 加載ENG-APSL隔離器前后天線陣增益方向圖

(a) 未加載隔離器

(b) 加載隔離器圖14 加載ENG-APSL隔離器前后天線陣輻射表面電流分布

3 結 論

本文利用單負材料的電磁禁帶特性,設計并分析了ENG-APSL諧振單元．采用多點諧振法提升ENG-APSL結構單元周期性陣列構成的隔離器的禁帶帶寬．最后,將ENG-APSL隔離器加載于工作在相應禁帶頻率的二元微帶陣列單元間,實驗結果表明天線單元間距約為0.37λ0的情況下陣列E面耦合降低了21 dB,展現了優良的單元間互耦抑制能力,并且在天線工作頻率附近隔離度大于25 dB的帶寬達到5.1%．另外,文中設計的ENG-APSL隔離器具有結構簡單、尺寸小的突出優勢,在高密度、高性能微帶陣列研究與設計中具有良好的應用潛能．

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仇玉杰 (1990-),男,江蘇人,桂林電子科技大學信息與通信學院教師,碩士,研究方向為天線與電磁超介質．

姜興 (1962-),女,河北人,桂林電子科技大學信息與通信學院教授,碩士生導師,研究方向為天線與電磁測量．

彭麟 (1981-),男,廣西人,桂林電子科技大學信息與通信學院副教授,博士,碩士生導師,研究方向為電磁超介質及天線．

姜祥奔 (1990-),男,湖北人,碩士研究生,研究方向為共形陣列天線．

Novel epsilon-negative metamaterial insulator for electromagnetic coupling reduction of antenna array

QIU Yujie JIANG Xing PENG Lin JIANG Xiangben

(GuilinUniversityofElectronicTechnology,Guilin541004,China)

The bandgap characteristic of single-negative metamaterial can be utilized to reduce electromagnetic coupling between elements of an antenna array.In this paper, a novel epsilon-negative anti-parallel-spiral-shaped (ENG-APSL) resonator is designed and investigated.The circuit model technique and wave-guide transmission method are used to analyze the electromagnetic characteristics of the resonator, and the effective parameters are also extracted.Several well engineered ENG-APSL resonators are arranged between two closely spaced (0.37λ0) rectangular patch antennas for coupling reduction.By loading the insulators, the E-plane coupling of the array is reduced by 21dB.For the operation frequencies that close to 5.1 GHz, the 25 dB isolation band-width of 5.1% is obtained.The proposed insulator also has the advantages of electrically small dimensions and simple structure.

epsilon-negative metamaterial;antenna array;mutual coupling suppression;insulator;bandwidth enhancement

仇玉杰, 姜興, 彭麟,等.新型電單負材料結構在天線互耦抑制中的應用[J].電波科學學報,2016,31(5):996-1003.

10.13443/j.cjors.2016043001

QIU Y J,JIANG X,PENG L, et al.Novel epsilon-negative metamaterial insulator for electromagnetic coupling reduction of antenna array[J].Chinese journal of radio science,2016,31(5):996-1003.(in Chinese).DOI:10.13443/j.cjors.2016043001

2016-04-30

國家自然科學基金(61371056 &61401110);廣西自然科學基金(2015GXNSFBA139244)

TN820.1+5

A

1005-0388(2016)05-0996-08

聯系人：姜興 E-mail：1003439204@qq.com