基于EBG結構加載的二元天線陣列隔離度提升設計

王菲

【摘要】? ? 本文利用加載平面EBG結構抑制表面波的方式提高了二元振子天線之間的隔離度。文中以X波段微帶線饋電的印刷振子天線為例，分析了當兩個振子組陣時，通過在天線饋線附近加載平面EBG結構，抑制了饋線的表面波傳輸，從而降低了單元天線間的能量傳輸，提升了天線間的隔離度。對加載EBG結構和未加載EBG結構的兩元陣列天線進行仿真對比分析，結果表明兩種天線輻射性能基本保持不變，而加載后的兩元陣列在8GHz-9.2GHz頻段隔離度得到了提升，驗證了該方法的有效性。

【關鍵字】? ? EBG結構? ? 天線

引言：

陣列天線單元間的互耦效應會對系統帶來很多負面影響。對于相控陣天線而言，嚴重的互耦會影響天線的掃描特性。對于收發分置的雷達天線，強互耦導致收發通道間的隔離度惡化，使得探測距離受到限制。因此，降低天線間的互耦效應，提升天線隔離度是非常有意義的工作。常用的方法有場對消法、帶阻濾波法、去耦網絡法[1]等。

電磁帶隙結構（Electromagnetic Bandgap，簡稱 EBG）是一種周期結構，具有調控電磁波的能力，當電磁波在該結構中傳播時會發生衍射現象，導致某些特定頻率的電磁波無法傳輸，形成電磁禁帶效應，稱為“電磁帶隙”。該種結構可以有效地針對某些特定頻率的電磁波進行調控，從而實現相應的帶阻傳輸特性。近年來，很多學者廣泛研究EBG結構特性，在電磁波調控領域充分挖掘其應用性能。由于印刷電路板技術的飛速發展，平面EBG結構易于加工、實現速度快，已經廣泛應用于各類天線的設計中。文獻[2]中，采用多個周期型的EBG結構實現了陣列天線的隔離度提升;文獻[3]中，將EBG結構用于圓極化陣列，在不改變圓極化性能的同時，提升了圓極化天線單元間的隔離度。

本文利用在微帶饋電的二元振子天線中加載EBG結構的方式，通過EBG結構抑制表面波傳輸的電磁特性，提升了單元天線隔離度性能。首先設計了工作于X波段的周期性EBG結構，仿真優化得到其具體參數。將該結構加載于工作頻段為8GHz-9.2GHz的兩元陣列天線中，經過仿真分析，加載EBG結構后的兩元陣列其反射系數和輻射性能均保持基本一致，而隔離度得到了顯著提升。

一、EBG結構設計

常見的EBG結構有蘑菇型EBG（Mushroom-like EBG）結構、共面緊湊型EBG （UC-EBG） 結構、金屬圓柱型EBG（CEBG）結構等等。本文采用圓形蘑菇型EBG結構，如圖1所示，在介質層的一側腐蝕出周期性的圓形金屬貼片，另一面金屬層為接地板，每個貼片單元的中心通過金屬化過孔與另一面的金屬接地板相連。圓形蘑菇型EBG結構，其電磁帶隙特性主要由以下幾個參數決定：介質板的介電常數εr，介質板高度h，EBG結構單元周期D，金屬化過孔半徑r，圓形金屬貼片半徑R。

本文所設計的EBG結構，其參數如表1所示，使用商業電磁仿真軟件CST進行仿真計算，得到該周期結構的色散曲線如圖2所示。由圖可見，該結構尺寸在7.3-9.5GHz具備禁帶特性，可用于該頻段天線的設計。

二、兩元陣列天線設計

為了驗證EBG結構在提升天線單元間隔離度的應用效果，以兩元印刷振子天線陣為例進行分析，如圖3所示。圖3（a）為微帶線饋電的印刷振子天線，（b）為在微帶饋線邊緣加載EBG結構的兩元陣列天線。

根據前述設計的EBG結構禁帶頻率，本節印刷振子天線工作頻段應在8G附近。經過仿真優化，最終確定的振子單元天線參數如圖4及表2所示。

三、天線仿真結果及對比

利用ANSYS Electronics Desktop軟件對加載EBG結構與未加載EBG結構的二元印刷振子天線進行仿真計算，仿真結果如圖5-圖7。由圖5所示，兩天線反射系數曲線基本保持一致，工作帶寬為8-9.2GHz。對比三維輻射方向圖仿真結果，兩天線增益基本一致，如圖6所示。單元天線隔離度仿真結果如圖7所示，在工作頻段內，加載EBG結構的天線隔離度明顯高于未加載EBG結構的天線隔離度，尤其在8.39GHz的位置隔離度提升了7dB，在9.14GHz的位置提升了6.1dB。以上結果表明，加載EBG結構的二元陣列天線其輻射性能與未加載EBG結構時基本一致，但其隔離度得到了有效提升。

四、結束語

本文利用加載EBG結構的方式設計了一個兩元陣列天線，用以提高其單元天線隔離度。首先設計了工作于X波段的圓形蘑菇型EBG結構，仿真優化得到其具體參數。將該結構應用于同工作頻段的兩元陣列天線上，仿真結果表面在8GHz-9.2GHz頻段該天線單元天線隔離度得到了較大提升的同時，其輻射性能基本保持不變。該方法可以有效應于需要提升陣列天線單元間隔離度的工程設計中。

參? 考? 文? 獻

[1]戴善江 微帶天線去耦研究及其在無線通信系統中的應用? 碩士論文? 南京理工大學

[2] Rajo-Iglesias E，Quevedo-Teruel O，Inclan-Sanchez L. Mutual Coupling Reduction in Patch Antenna Arrays by Using a Planar EBG Structure and a Multilayer Dielectric Substrate[J].Antennas and Propagati on，2008，56（06）：1648-1655.

[3] Exposito-Dominguez G，Fernandez-Gonzalez J M，Padilla P，et al.Mutual Coupling Reduction Using EBG in Steering Antennas[J].Antennas and Wireless Propagation Letters，2012（11）：1265-1268.