ISM波段无线应用低互耦天线阵列的设计、仿真、制造和测量

艾哈迈德*，1，阿卜杜拉1，埃尔亨纳威2

电子研究所微带部，埃及开罗
Ain Shams大学电子与通信工程系，埃及开罗

摘要

采用一种紧凑的哑铃形缺陷地结构(DGS)，以减小ISM波段和无线应用中微带阵列元件之间的相互耦合，λ0元件间距为0.47。将具有新分布的哑铃DGS插入相邻阵列耦合单元之间的e平面以抑制明显的表面波。设计了哑铃形DGS四元阵列，在介电常数为10.2、厚度为1.27mm的衬底上制作，并进行了测量。结果表明，该阵列在工作频率下，各单元间的相互耦合降低了35.6 dB。讨论了有DGS和没有DGS时阵列的表面电流分布。采用波导模拟方法研究了有无DGS的微带阵列，并采用光刻技术制作了微带阵列。

关键字

有缺陷的地面结构，ISM波段，微带天线阵列，相互耦合

介绍

近年来无线技术的迅速发展对包括天线在内的集成组件提出了新的要求。随着5.6 GHz ISM频段的发布，以及其日益普及，全球范围内存在着与蓝牙和/或WLAN系统应用相关的2.4 GHz工业、科学和医疗(ISM)频段的巨大基础设施

本文采用一种紧凑的哑铃形缺陷地结构(DGS)来减小阵列单元之间的相互耦合，并将阵列单元间距减小到0.47 λ0。在阵列中相邻的e面耦合单元之间插入哑铃DGS，以抑制明显的表面波。研究了一种带和不带哑铃形DGS的线性和平面四元阵列。结果表明，该阵列在工作频率下，各单元间的相互耦合降低了35.6 dB。

2LITEARTURE调查

20世纪90年代末，韩国学者J. I. Park等人首次提出了缺陷地面结构(DGS)。它是基于光子带隙结构的思想，并应用于平面电路的设计。DGS是平面传输线[2](如微带、共面和导体背衬的共面波导)在地面上出现的一种蚀刻的周期性或非周期性级联结构缺陷，它扰乱了地平面内的屏蔽电流分布。这种扰动会改变传输线的线路电容、电感等特性，从而获得慢波效应和带阻特性[3-6]。微带线馈贴片天线[7]基频三次谐波的高阶模态控制。通过在天线贴片上加载互补裂环谐振器[8]实现天线小型化。提高探针馈电矩形微带贴片中的极化纯度(共极化到交叉极化隔离)[9,10]。DGS[11]的设计和分析主要有两种方法:一种是商用电磁软件，是设计和分析DGS的主要仿真软件;另一种是等效电路法。

3单一的元素

利用CST数值模拟器模拟了εr = 10.2, h = 1.27 mm, tan δ = 0.0035的介电衬底上的单微带贴片天线。为了获得5.562GHz的谐振频率，patch尺寸为7.5 mm x 6 mm。谐振频率为80 mm × 60 mm (1.48λ0 × 1.1λ0)，以避免如图1.a所示的边缘效应。该贴片采用同轴探针馈电技术。模拟反射系数|S11|如图1.b所示。得到的带宽为1.3%。E面和h面辐射图如图2所示。

四、二元素数组

由于表面波的存在，e面耦合微带贴片天线阵列存在较强的互耦性。由于DGS具有抑制面波的能力，为了减小天线单元间的相互耦合，在两个天线单元之间插入了一个哑铃形DGS。DGS单元可以通过一个平行的R、L和C谐振电路来建模，该谐振电路连接到其两侧的传输留置权，如图3所示。[1]可给出哑铃型DGS单元的等效电路参数L、C、R:

式中，ω0为角谐振频率，ω c为3-dB截止角频率，z0为微带线的特性阻抗，S11(ω)为等效电路网络的输入反射系数。

DGS的LCR等效电路参数如下:1)由频率响应曲线得到谐振频率ω0、截止频率ωC和终端阻抗z0;2)由式(1)、式(2)计算等效电容C和等效电感L;(3)由式(3)计算R。

如图4所示，将DGS单元增加到5个哑铃状单元，可以进一步降低相互耦合。采用CST数值模拟方法对εr = 10.2, h = 1.27 mm介质衬底上的e面耦合微带天线进行了模拟。为了获得5.64 GHz的谐振频率，矩形贴片的尺寸为7.375 mm x 6 mm，贴片之间的距离为25 mm (0.47λ0)，以避免光栅瓣。为了避免流线效应，在谐振频率下，缺陷地平面为80 mm × 60 mm (1.5λ0 × 1.2λ0)。每个贴片为TM10模式，由距离贴片中心0.7375 mm的匹配同轴馈电激发。哑铃形状DGS结构参数的最佳值为哑铃头(a) = 3.6 mm, b = 4 mm，哑铃间的槽长(w) = 1.24 mm，槽宽(g) = 0.85 mm。

表1比较了图5所示的两种情况下(即有无DGS)的模拟互耦|S21|和反射系数|S11|。可以观察到DGS天线的谐振频率相对于传统天线有向下的偏移。这种小的频移是由于DGS的慢波效应。由于厚的高介电常数基板表面波明显，传统天线显示出-15.13 dB的强耦合。由于天线谐振频率在DGS带隙内，面波被抑制，仿真结果显示互耦降至-42.24 dB，比传统的低27.11 dB，但增益和效率降低，如表1所示。

图6中清楚地观察到DGS结构对空间波的减缓，其中绘制了当一个贴片天线被激发而另一个贴片天线以50 Ω阻抗负载终止时，地平面上的表面电流分布。可以清楚地看到，在没有DGS的情况下，末端馈电补丁被强烈激发，而在有DGS的情况下，它被非常弱地激发。提出的5单元DGS结构确保了两个贴片之间垂直极化电场(空间波)的抑制。

V.线性四元数组

如图8所示，εr = 10.2, h = 1.27 mm, tan δ = 0.0035的介电衬底上的四元微带贴片天线。斑块间距为25 mm (0.47λ0)。在谐振频率下，缺陷地平面为130 mm × 60 mm (2.4λ0 × 1.2λ0)。每个贴片为TM10模式，由距离贴片中心0.7375 mm的匹配同轴馈电激发

图9为不含DGS和含DGS的e面线性四元阵列在dB中的模拟|S11|、|S21|、|S32|、|S41|和|S43|。从表2可以看出，DGS天线的谐振频率相对于传统天线有轻微的下移。

图10为存在和不存在DGS单元时天线阵列表面电流分布。显然，这两个贴片在谐振频率处耦合良好，但随着DGS单元的插入，谐振频率受到限制，耦合效应降低。中心DGS细胞阻断了沿e面方向的表面波，有助于减轻元件之间的相互耦合。由于厚的高介电常数衬底表面波的存在，传统的e面天线阵列表现出-15dB的强耦合。由于天线谐振频率落在DGS带隙内，面波被抑制，仿真结果显示互耦降至-35 dB，比常规天线低20 dB，但增益和效率降低，如图11所示。另一方面，传统h面天线阵列与DGS的相互耦合增强，但增益和效率略有提高

六、平面四元阵列

在εr= 10.2, h = 1.27 mm的介质衬底上设计了四元微带贴片天线阵列。斑块间距为25 mm (0.47λ0)。在谐振频率下，缺陷地平面为80 mm × 85 mm (1.5λ0 × 1.6λ0)。每个贴片为TM10模式，由距离贴片中心0.7375 mm的匹配同轴进给激励，如图12所示。

图13为不含DGS和含DGS的e面线性四元阵列在dB中的模拟|S11|、|S21|、|S31|、|S42|和|S43|。如表3所示，可以观察到DGS天线的谐振频率相对于传统天线向下移位。这种小的频移是由于DGS的慢波效应。

图14显示了有DGS单元和没有DGS单元的天线阵列表面电流分布。显然，这两个贴片在谐振频率处耦合良好，但随着DGS单元的插入，谐振频率受到限制，耦合效应降低。由于厚的高介电常数衬底表面波的存在，e平面的常规天线阵列表现出-14.9 dB的强耦合。由于天线谐振频率处于DGS带隙内，对面波进行了抑制，仿真结果显示互耦降至-22.08 dB，比常规天线低7.18 dB，但增益略有降低，效率略有提高，如图15所示。此外，在h平面阵列中，相互耦合略有降低，增益略有降低，效率略有提高

7实验结果与讨论

为了验证仿真得到的结论，在Roger RT/Duroid 6010衬底上制作了两个微带天线。衬底的介电常数为10.2，衬底厚度为1.27 mm (50 mil)。观测到双天线的谐振频率为5.646 GHz，回波损耗优于10 dB。

图16显示了有DGS和没有DGS的双元天线的照片。天线尺寸为7.375mm x 6 mm，天线中心距离为25 mm (0.47λ0)。天线制作在80 mm x 60 mm (1.5λ0 x 1.2λ0)的地平面上。表4报告了无DGS和有DGS测量值的比较。

在之前的基板参数基础上制作线性四元阵列，如图17所示。无DGS和有DGS的测量结果对比如图18所示。表5报告了无DGS和有DGS测量值的比较。

对于不采用DGS结构的天线，5.86 GHz的互耦为-15 dB。相比之下，采用DGS结构的天线相互耦合为-35 dB。在5.646 GHz的谐振频率下，互耦降低了约20 dB。计算结果与模拟结果吻合较好。通过实验证明，DGS可以有效地减小天线阵元间的相互耦合

8结论

提出了一种二元和四元微带天线阵列的低互耦设计方法。天线地平面上的哑铃形缺陷的新分布被插入在贴片之间，在天线的工作频段上产生带隙。通过抑制表面波，它在阵列元素之间提供了一个非常低的相互耦合。采用有限积分技术(FIT)对DGS天线进行了分析，实现了互耦降低35.6dB。分析表明，哑铃数量的增加降低了元件之间的相互耦合。辐射模式在侧面方向变化很小，但后叶水平增加。然而，由于DGS在地平面的渗透，增益和效率降低。计算结果与波导模拟方法的计算结果一致。

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