基于渦旋諧振環的人工磁導體的設計與應用

張小娟++胡欣宇

摘 要：文中提出了一種基于渦旋諧振環的人工磁導體，通過CST電磁仿真軟件仿真分析了其同相反射相位特性。利用同相反射特性，將AMC結構用于抑制半波印刷天線后向輻射，取得了良好的效果。最后用交指電容取代AMC結構中諧振環的縫隙電容，降低了其諧振頻率，有效解決了AMC結構的大尺寸問題。

關鍵詞：AMC；反射相位；半波天線；交指電容

中圖分類號：TP21；TN911 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）12-00-03

0 引 言

人工磁導體（Artificial Magnetic Conductor， AMC）又稱為高阻抗表面[1-5]，其具有同相位反射特性，被廣泛應用于波導、天線、薄吸收體等設計中。傳統的人工磁導體結構包括Sievenpiper提出的蘑菇型電磁帶隙（EBG）結構[2]和Itoh提出的光子帶隙（PBG）結構[4]。蘑菇型EBG結構由于存在金屬過孔，制作較為復雜且加工成本較高等器件；PBG結構雖然不需要過孔但其工作帶寬過窄。

本文提出了一種基于金屬渦旋環的新型AMC結構。相對于傳統AMC結構，該結構不需要過孔，制作工藝簡單，且具有較寬的工作頻帶（相對工作帶寬約為12%）。將該AMC結構用作半波天線的反射面，可很好地抑制天線的后向輻射，且前向輻射增益提高約3 dB。同時，AMC結構與天線的距離較近，約為1/140個波長，有效降低了天線的剖面尺寸。

由于交指電容的品質因素Q值相對較高，結構緊湊，為了減小AMC結構單元的尺寸，文中用交指電容取代渦旋諧振環的縫隙電容。仿真結果表明，對于同樣的單元尺寸，采用交指電容后可以使AMC結構的諧振頻率降低超過30%，即設計具有同樣諧振頻率的AMC結構單元，使用交指電容后，單元尺寸僅為原結構的60%～70%左右。

1 AMC結構仿真與討論

本文設計的AMC單元是在介質基板的上、下表面均刻蝕金屬平板，上表面金屬平板由形狀相同的四根金屬條排列形成渦旋諧振環，下表面為金屬背板，設計的AMC幾何結構及其參數如圖1所示。

圖1所示基板（介電常數為2.2）的單元尺寸為14 mm×14 mm。諧振環長度l為9.72 mm，寬度w為2 mm，縫隙g為0.28 mm，介質板厚度t為1.4 mm。

1.1 反射特性分析

采用CST電磁仿真軟件對該AMC結構進行仿真，與xoy平面垂直的四個面設置為元胞邊界條件來模擬周期結構，與z軸垂直的兩個面設置開放邊界并用Floquet模激勵。AMC結構表面的反射相位用公式表示[6]，其中AMC（f）和PEC（f）是仿真得到的同一位置處的AMC結構和PEC結構的反射相位。

圖2所示為AMC的S參數幅度和反射相位曲線，由于底部是金屬板，無透射，|S21|恒為0，而|S11|恒為1，因此表明全反射。反射相位為±/2時對應的頻率分別為8.44 GHz與9.57 GHz，零相位反射對應頻率為9 GHz，因此該結構的同相反射帶寬為12.4%。

1.2 平面波激勵特性分析

AMC結構最重要的特性是平面電磁波入射到其表面時，其表面具有理想磁導體的特性，即反射的平面波相位不發生變化。通過分析駐波分布來驗證其同相反射特性，波沿z軸方向傳播，電場沿x軸方向，結果如圖3所示。為了便于比較，同時給出了平面波照射PEC結構的駐波分布圖。當頻率為9 GHz時，靠近PEC板處電場近似為零，與PEC板距離約為8.5 mm（/4）處電場幅度最大；而對于AMC結構，電場在接近AMC處幅度最大為波腹點，在距其8.5 mm處為波節點。

對AMC結構與PEC結構的駐波分布圖進行詳細對比可以清晰地看出兩者的駐波分布恰好相反。

2 AMC應用于半波印刷天線

2.1 半波印刷天線設計

設計的半波印刷天線如圖4所示，該天線屬于半波偶極天線的變形。天線兩臂分別印制在基板上下兩面。天線右臂在基板頂層，匹配阻抗經平行雙線與右臂相接，調整匹配阻抗尺寸以改變天線的饋電情況，背面是天線左臂和接地板。天線工作頻率約為9 GHz，仿真優化后確定天線參數：介質板介電常數為2.65（1+0.001 9 i），尺寸為42 mm×42 mm。半波天線臂長為8 mm，寬為0.5 mm，平行雙線長16 mm，寬0.5 mm，匹配阻抗的尺寸為3 mm×7 mm，接地面的寬度為7 mm。

2.2 半波印刷天線加載AMC

天線背面加載金屬反射面可以抑制后向輻射，但金屬反射面會引入180度相位差，因此反射面和天線之間要相隔/4，從而大大增加了天線的剖面尺寸。而采用AMC結構作為天線的反射面時，由于其具有同相反射特性，天線和反射面之間不需要/4的距離，因此有效降低了天線的剖面尺寸[7]。

加載的AMC結構與印刷天線之間的距離為0.24 mm，約為1/140個波長，加載的AMC單元數目為3×3，該AMC結構如圖5所示。對加載前后天線的回波損耗和輻射方向圖進行對比分析，結果分別如圖6和圖7所示。

加載AMC結構之前，天線諧振頻率（9 GHz）處|S11|為-22.41 dB，天線的兩個臂沿x方向，所以E面方向圖和H面方向圖分別位于xoz面和yoz面。在E面的方向圖是兩個相同的波瓣，在H面的方向圖是一個圓，說明該天線是全向輻射。

加載AMC結構之后，經對比分析可知：

（1）加載前后天線的工作頻率不變，回波損耗曲線也基本保持一致。加載后|S11|為-28.8 dB，所以AMC反射板天線獲得了更好的回波損耗；

（2）加載AMC結構前天線是全向輻射的，其最大增益為7.5 dB。加載AMC結構后，天線在xoz面和yoz面的后向輻射明顯得到很大程度的抑制，同時天線增益變為10 dB，相較無加載時增加約2.5 dB；

（3）整個天線的剖面尺寸應為印刷天線厚度d、AMC厚度t以及天線-AMC之間的間距之和h，即d + t + h = 1.69 mm ≈ 0.05 ，而同樣輻射效率的金屬反射板印刷天線的剖面尺寸為0.25 ，前者僅為后者的1/5。

經過分析說明，當天線的工作頻率位于人工磁導體的諧振頻率范圍內時，人工磁導體的反射波與天線的直接輻射波是同相疊加的。此時，天線能夠獲得相對較好的回波損耗，且在需要的方向上得到良好的輻射，而天線的整個剖面尺寸卻可以保持在比較低的高度。

3 AMC結構小型化

根據等效電路模型，人工磁導體可以等效為電容和電感并聯的諧振電路模型[8]，所以可以通過增大電感和電容來降低其頻率，從而實現小尺寸的人工磁導體。當介質材料確定后，電感也基本確定了，而電容可以通過改變周期單元的結構來實現。受微波集成電路中集總電容元件的啟發，本文在設計的AMC基礎上按照其小型化的要求，引入交指電容（Interdigital Capacitors，IDC），實現了IDC-AMC。這種結構可以明顯增加單元縫隙之間的耦合電容，從而降低諧振頻率。交指電容是在有接地金屬膜的介質板上敷設一對形狀類似人手的金屬電極以構成電容，使兩極板的手指互相交叉[9]。

設計的IDC-AMC結構如圖8所示。經過不斷仿真分析發現，在單元結構相同的情況下，加入的交指電容大小與交指數目N、交指長度lc成正比，與交指寬度wc、交指間縫隙寬度s成反比。將圖1所示的渦旋諧振環的縫隙寬度g增大為1 mm（對應的中心頻率為9.8 GHz），交指電容數目N設為20，仿真得到的IDC-AMC結構的反射相位如圖9所示。由此看出，諧振頻率從無交指時的9.8 GHz（g=1 mm）變為6 GHz，降低了38%。因此設計具有同樣諧振頻率的AMC單元，若采用圖8所示的結構單元，尺寸可降至原尺寸的60%左右。

4 結 語

借助CST仿真軟件用渦旋諧振環、介質板、金屬貼片設計了AMC結構并驗證了其同相反射特性，將其應用于半波印刷天線，定量分析天線的輻射特性。結果表明，由于天線和AMC的相互作用，輻射增益相比自由空間中的天線提高了約3 dB。最后針對AMC的小型化設計出交指電容型AMC。交指電容的加入大大增加了單元間的電容值，從而使諧振頻率降低，達到了設計小尺寸AMC的目的。

參考文獻

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