基于超表面隔板的Vivaldi天線隔離度提升技術研究*

王 磊 曾憲亮 吳為軍 陶 理 鐘小瑛 方重華

（1.91404部隊41分隊 秦皇島 066000）（2.電磁兼容性重點實驗室 武漢 430064）（3.中國艦船研究設計中心 武漢 430064）

1 引言

超表面，通常被視為二維或者平面超材料結構，在近些年引起了研究者們濃厚的興趣［1～2］。因其低剖面、易于加工和其他優良電磁特性，超表面被廣泛用于天線設計［3～4］、隱身斗篷［5］和理想吸波體設計［6～7］中。超表面通常具有亞波長的周期和厚度，因此超表面可當成各向同性的均勻材料展開研究，采用等效媒質理論分析其傳輸和反射特性［8～9］。根據Maxwell方程組，電磁波無法在單負材料（介電常數或磁導率為負）傳播［10］。這種特性，可以作為實現天線去耦的結構設計中。

在本文中，提出了一種基于SRR 的超表面結構，用于提升近距離分布的兩個Vivaldi天線之間的干擾耦合。仿真結果表明，該SRR超表面結構在X 波段具有良好的帶阻特性。在本研究中，采用等效媒質理論用于提取等效介電常數和磁導率，證實了在該工作頻段的帶阻特性。將該超表面加載于兩天線之間，如圖1所示，隔離度由30.7dB 提升至46.9dB。此外，仿真獲取的遠場方向圖、峰值增益和效率同樣證實，在采用去耦方法后，天線仍然具有較好的輻射性能。

圖1 加載有去耦超表面的Vivaldi天線去耦效果示意圖

2 超表面結構

2.1 單元結構

在本文中，采用SRR金屬圖案構成超表面單元模型，如圖2所示。為了獲得良好的諧振特性，兩層相同金屬圖案的SRR 結構附著于介質兩側。在本研究中，選取的介質為FR4，其介電常數和損耗角正切分別為4.3 和0.025。單元優化后幾何尺寸分別為p=7.5mm，ws=0.2mm，w1=1.2mm，gs=0.5mm，t=2mm。采用CST 微波工作室，仿真獲取的S 參數如圖3所示。可以清晰地看出，在8GHz～12GHz 頻段內S21 小于-10dB，從而可在整個X 波段表現出良好的帶阻特性。

圖2 超表面單元模型示意圖

圖3 仿真獲取的超表面S參數

2.2 等效媒質參數

為了深入分析其帶阻機理，采用等效媒質理論研究其傳輸特性。在電磁波垂直照射下獲取的S參數幅度和相位參數，可以反演計算出等效介電常數和磁導率［11］。計算過程可以從如下的公式獲得：

提取的介電常數和磁導率如圖4所示。由計算結果可看出，在8GHz～10.2GHz 頻帶內，磁導率實部小于0；在10.2GHz～12.4GHz頻帶內，介電常數實部小于0。因此，在整個X波段內，超表面表現為單負材料特性，從而實現如圖3所示的帶阻特性。可以預測，在加入本研究的提出SRR 超表面隔墻后，天線耦合將會得到極大降低。

圖4 計算提取的超表面等效介電常數和磁導率實部

3 隔離度提升效果研究

3.1 Vivaldi天線

在本研究中，由于Vivaldi 具有較寬的工作帶寬，采用Vivaldi天線作為參考研究對象。如圖5所示，雙曲漸變縫隙貼片和微帶饋線蝕刻在低損耗介質上，介質為Rogers RT5880（εr=2.2，tanδ=0.0009），其厚度為1.6mm。最終的天線幾何參數分別為la=50mm，wa=37.5mm，wr=18.6mm，dr=5.3mm，wp=1.3mm。

圖5 Vivaldi天線

當本文提出的兩個Vivaldi天線以30mm 的間距直線排列時，兩天線之間存在嚴重的干擾，圖6給出了天線的S 參數仿真結果，當加入超表面隔墻后，S21 在整個X 波段得到了明顯降低。為了更為清晰地對比，10GHz 處，無加載下的隔離度為30.7dB，加載超表面后的隔離度提升為46.9dB。值得說明的是，在加載超表面和無加載超表面兩種情況下，在8GHz～12GHz反射率低于-10dB，表現出良好的阻抗匹配特性。

圖6 加載和無加載兩種情況下，Vivaldi天線的S參數仿真結果

3.2 輻射特性

兩種情況下，10GHz 處xoz和yoz平面的輻射方向圖如圖7所示。可以清晰地看出，輻射方向圖、后瓣和波束寬度在超表面加載后出現了明顯的變化。但是，在整個X 波段，仿真結果仍然證實了其良好的輻射特性。

圖7 10GHz處仿真獲取的xoz平面和yoz平面方向圖

更進一步地，我們同樣研究了天線的可實現增益，如圖8所示。在加載超表面隔墻后，在整個仿真頻段內增益都得到了一定的提升。在中心頻點10GHz 處，加載超表面后增益由8.5dBi 提升至10.3dBi。此外，加載超表面的去耦天線后，總效率在8GHz～12GHz 范圍內均在82%以上，在圖8 中同樣可以看到相關結果。因此，基于輻射方向圖、峰值增益和總效率仿真結果，Vivaldi天線在8GHz～12GHz的寬頻帶內均保持較好的輻射特性。

圖8 無加載和加載超表面兩種情況下的峰值增益和效率仿真結果

4 結語

本文提出了一種采用超表面結構以提高隔離度的新方法。通過研究超表面的傳輸特性以及提取的等效介電常數和磁導率驗證了超表面結構的帶阻特性。為了驗證本文提出去耦方法的有效性，設計了一對Vivaldi天線，并分析不同情況下的互耦特性。相比于無加載超表面情況，加載后的Vivaldi天線S21 得到了極大降低。此外，不同切面的遠場方向圖仿真結果同樣證實了其良好的輻射特性。最后，峰值增益和總效率同樣證實了加載超材料后輻射性能的提升效果，且工作頻帶覆蓋整個8GHz～12GHz。因此，本研究提出的隔離提升方法，在MIMO 系統和相控陣天線中具有非常重要的潛在應用價值。