高阻抗表面在天線陣隔離的研究

呂秀芬

（山西醫科大學汾陽學院 山西 汾陽 032200）

微帶貼片天線具有易集成、重量輕，能與衛星等空間飛行器表面實現共形等優點，適應了小型化和集成化的發展而得到廣泛應用。但是，當天線附近有金屬物和介質體時，天線上的電流會受到影響重新分布，進而引起單元效益及增益降低、極化特性變壞及陣列失配等諸多問題[1]。陣元間的互耦嚴重影響了天線的性能。為了解決這一難題，人們提出了在陣元之間加載缺省地結構[2]。但是該結構需要在底板上刻蝕槽縫會導致電磁能量向后輻射，降低陣列增益。因此，需要發展新的技術手段來提高天線陣元間的隔離度。

Sievenpiper用印刷電路技術設計的雙層或者三層結構的蘑菇狀高阻抗表面具有兩個重要特性：一是當平面波正入射到其表面時，在某一頻率該表面具有理想導磁體的特性；另一個特性是表面波的抑制[3]。

表面波最直接的負面影響是使得天線方向圖背瓣增大，導致天線陣元間的互耦加強，進而降低天線效率。本文在研究表面波帶隙ElectromagneticBand Gap（EBG）的基礎上，設計了一種禁帶頻率在6GHz～7GHz之間的周期性高阻抗表面結構，并將該結構應用到工作頻率在6.4GHz的貼片天線陣列中。仿真結果表明，在陣元間加載該結構后，陣元間的隔離度得到大大提高。

本文設計的高阻抗表面結構，上層為圓形金屬貼片，中間為介電常數為10.2的介質板，底層為金屬貼片。結構參數為：單元周期3.5mm，圓心貼片半徑1.5mm、金屬化導孔半徑0.25mm，連接上下表面的金屬化導孔長度2mm。該結構具有平移對稱性和4度旋轉對稱性。選用偶極子天線對該結構的表面波傳輸特性進行模擬仿真，邊界條件為開放空間。

圖1分別為上述結構TE波、TM波表面波帶隙仿真圖，在6GHz～7GHz頻率之間有明顯的表面波禁帶，TE波和TM波都不能在該頻段傳播。本文設計將這種結構加載在工作頻率為6.4GHz的貼片天線陣列中用來抑制陣元間互耦。

圖1 高阻抗表面結構TE、TM波表面波帶隙模擬仿真

貼片天線是在損耗和厚度都很小的介質基片兩側，分別敷設接地板和導體貼片而形成的天線，采用同軸線饋電方式。貼片天線在諧振頻率時輻射最大，因此實際中一般選取諧振頻率作為天線的工作頻率。天線諧振頻率經驗公式由式（1-1）給出，其中為真空中光速，為貼片長度，為貼片寬度，為介質板厚度，為介質板相對介電常數[1]。

由上式可知，貼片天線的尺寸決定著天線的諧振頻率。本文設計工作頻率在6.4GHz的貼片天線，貼片寬度為4mm，長度為7mm，介質板采用Rogers 6010，厚度為2mm。調節饋電點位置，找到天線輻射最強的位置。

在該天線附近分別加載一列、兩列、三列、四列高阻抗表面結構來分析它對天線的輻射影響。當加載不同列數的高阻抗表面結構時，在6GHz～7GHz之間，表面波得到了不同程度的抑制。當加載4列該結構時，下降到75dB左右，此時表面波得到最大程度抑制。因此考慮在陣列天線陣元間加載4列該結構來抑制陣元間互耦。

本文設計貼片天線陣列，在貼片陣列中加載高阻抗表面結構，示意圖如下：

圖3

蘑菇狀高阻抗表面結構由于其獨特的電磁特性已經被廣泛應用到天線制作當中，本文利用其抑制表面波的特性將其加載在天線陣列之間，仿真結果表明，該結構可以有效降低陣元之間的互耦，提高天線增益。另外，蘑菇狀高阻抗表面采用的是印刷電路技術，可以很好地與導彈、衛星等實現共形，在軍民領域中都將會有廣泛的應用前景。