第32卷第4期国防科技大JOIIIiNALOFNATIONALUNIVERSITYOF堕!婴望里婴gOGY!塑:3:L№.42010学学报文章编号:1001—2486(2010)04—0068—04新型电磁带隙结构加载的微带天线阵。李有权,张光甫,付云起,袁乃昌(国防科技大学电子科学与工程学院,湖南长沙410073)摘要:研究了以EBG结构为衬底的微带天线阵。将EBG结构置于微带天线阵的底部取代微带天线阵列的金属底板,不仅能增加天线带宽,还能提高天线阵的增益。测试结果表明,天线单元带宽从3.81%提高到8.86%,在工作频带内天线阵增益都在lOdB以上,同时天线单元间的耦合系数也得到有效降低。关键词:微带天线阵;电磁带隙结构;耦合系数;带宽;增益中图分类号:TN011文献标识码:ANovelEBGLoadedMicrostripAntennaArrayLIYou-quan,ZHANGGuang-fu,FUYIlI卜qi,YUANNai-chugDefense(College《ElecuaficAbstract:Micmstripalltennabelowthemierostripandpromote8l%t00fantennaScienceandEngineering,NationalUniv.0fTechnology,cIl咄410073,QliM)studiedTheEBGarraytomountedthedeetromagnefiearrayreplaethe咖0fantennac0哪蜥ngdbandgap(EBG)8ubs眦wasantennaarray,whichw硇mountedgroundplaneofwidentheoperationalbandwidthunitisarray.Themeasuredresultsshowthattheoperationalbandwidth0ffl/ltPJIltlapromotedhorn3.8.86%,andintheoperationalbandarrayisreduced.the鲥nantennaarrayislOdB.Meanwhilethecouplingcoefficientbetweenunitsa/ltennaKeywords:microstripantennaarray;electromagneticbar峥p(EBG);c0I耻Ilgc础eient;bandwidth;gain微带天线在雷达、卫星通讯等方向得到了广泛应用,但是它存在频带窄,效率低等缺点,介质基片受激励会引起表面波,使阵列副瓣增大方向性变差。将电磁带隙结构(EBG,Electromagnetici3anagap)引入微带天线的设计中,可以有效改善微带天线的特性。最初采用在介质基板上蚀刻出成周期排列的方孔.可抑制有源天线的谐波辐射,交叉极化电平也得到有效降低…。在微带天线中使用较多的电磁带隙结构是Sievenpiper提出的高阻表面结构口J,常见形式是将EBG结构环绕在微带贴片周围,利用EBG结构的表面波带隙特性,可以减小微带天线的表面波,改善天线的方向图【3J,实现微带天线小型化[41及低剖面天线b】。还可以将EBG结构放置在天线前部,提高天线增益【6】。但是这些方法仅能改善天线的某一种性能,不能全面提高微带天线的整体性能。本文采用了一种新的EBG加载方式,将EBG结构放置在微带天线阵底部[7】,用EBG结构代替微带天线的金属底面。利用EBG结构方形贴片产生寄生电容,能改善天线的谐振特性,展宽天线工作频带。由于EBG结构的表面波带隙特性,天线阵辐射能量向前集中,使天线阵获得高的增益。同时天线阵单元间的互耦系数也能得到有效降低,有利于改善微带天线阵列的扫描特性[8】,可以大大提高天线阵的性能。11.1EBG结构天线阵列设计EBG结构设计本文采用的EBG结构为Sievenpiper提出的Mushroom结构,它是由一组金属贴片在介质基板上排列得到的,金属贴片通过每个贴片中心的垂直导电孔与介质基板下面的金属板地面相连,其结构示意图如图l所示,这种结构可由并联LC等效电路模型等效,在谐振频率附近并联LC电路的阻抗为无穷大,形·收稿日期:2010—0l—lO基金项目:国家自然科学基金资助项目(60871069)作者简介:李有权(1980一),男,博士生。万方数据李有权,等:新型电磁带隙结构加载的微带天线阵成表面波的频率带隙。表面波带隙的中心频率即为并联LC电路的谐振频率。由估算的等效电容和电感可得到EBG结构的谐振频率,单元等效参数为晗J:c=哗一h㈡L=∥(1)(2)其谐振频率叫。=l,厂历。式中P为贴片单元周期长度,埘为方形贴片单元长度,g为贴片单元间隔,t为介质板厚度,£,为介质板相对介电常数,p为等效介电常数。图1Fig.1EBG结构不意图及等效电路StructureandequivalentcircuitofEBG本文所设计的微带天线阵工作频带为(5.92—6.15)GHz,设计出EBG结构表面波带隙应覆盖这个频带。根据以上等效公式计算并通过优化,得到所设计EBG结构参数为:采用基板相对介电常数为e,=2.65,厚度t=1.5mm,贴片单元周期P=8mm,贴片单元长度为埘=7mm,过孔直径为0.6mm。图2所示为采用I-IFSS8软件对EBG结构进行仿真得到的能带图,从中可以看出所设计EBG结构在(5.35.6.98)GHz存在表面波带隙。g≮图2表面波带隙仿真结果Fig.2SimulatedsurfacebandgapofEBG图3Fig.3EBG表面波带隙测量结果MeasuredsurfacebandgapofEBGEBG结构表面波传输特性的测量系统利用矢量网络分析仪作为核心仪器,采用同轴探针作为表面波的激励和接收装置。测量时将两个同轴探针放置在高阻表面两端,通过测量其传输参数就可以清楚地显示高阻电磁表面的表面波传输状况。制作EBG结构样品并采用矢量分析仪对所设计的EBG结构表面波带隙进行测量。所设计的EBG结构TM波传输特性测量结果如图3所示,从图中可以看出,在(5.29—6.91)GHz存在明显的表面波带隙,与仿真结果基本一致。所设计EBG结构满足设计要求。万方数据70国防科技大学学报2010年第4期1.2加载EBG结构的微带天线阵普通天线阵结构如图4所示,采用介质板厚度为t=1.5mm,相对介电常数为2.65,矩形贴片长度为Z=14.4mm,宽度为t‘,=9.2mm,两个单元间的间距为33ram,天线阵列采用同轴馈电方式。采用HFSS8仿真优化,馈电点选择在距离边缘5mm,微带天线阵整体大小为120ramX65mm。在阵列天线中,天线的辐射特性特别是旁瓣电平将受到阵元间互耦影响,为了验证EBG结构对天线阵元间互耦的抑制作用,设计二元阵单元选择如图4的放置形式。图4普通微带天线阵Fig.4Commonmicrostripantenna图5以EBG结构为衬底的微带天线阵arrayFig.5MierostripantennaarraymountedEBG加载EBG结构的微带天线阵包含两个部分,上层天线介质基片仅有矩形金属贴片,没有金属底板,贴片尺寸与普通天线阵一样,下部分为EBG结构,置于微带阵之下替代原阵列的金属底板,其结构如图5所示,天线阵整体厚度为3mm,两块介质基板整体尺寸均为120mm×65mm。两个贴片之间放置了3个EBG贴片单元。天线阵由一分二功率分配器对天线单元实现馈电,馈电方式为底部同轴馈电。EBG结构的应用使天线单元的谐振位置发生了改变,通过计算和测试,对两个天线单元的馈电点进行调整。2实验结果及分析2.1天线阵单元驻波特性及耦合系数天线阵由一分二的功分器对两个单元进行馈电,因为功分器两个功分臂上加载了平衡电阻,测量加载功分器的天线阵并不能真实反应天线阵的驻波,所以这里给出单个天线驻波比较结果,以说明EBG结构展宽频带的作用。采用微波矢量分析仪对普通微带天线阵和加载EBG结构的天线阵单元的反射系数分别进行了测量,两种天线阵单元的反射系数及单元间的耦合系数如图6所示。从普通天线阵的反射系数曲线s¨可看出,低于一10dB的频带为(5.92—6.15)GHz,天线阵工作带宽为230MHz,为中心频率的3.81%。两个天线单元之间的耦合系数在天线整个工作频带内在一29dB以上,在频率为6.1GHz时耦合达到最大(一27.9dB)。加载EBG结构后,天线驻波.s¨低于一10dB的频带为(6.13~6.7)GI-Iz,带宽为中心频率的8.86%,远远高于普通天线单元的带宽。加入EBG结构后,天线的中心频率由6.02GHz向高频偏移到了6.41GHz。天线工作频段的展宽及谐振中心频率的上移主要是由于EBG结构的作用,EBG结构的表面贴片相当于贴片附近的寄生贴片,图6天线阵单元反射系数及单元间耦合系数Fig.6Reflectioneoe盛cientofantennaarrayunitandmutualcouplingeoefl%ient有利于电路调谐,从而展宽频带。由于EBG结构工作频带在(5.29~6.91)GHz,能有效降低天线单元间的耦合系数。从图5和图6中可以看出,尽管天线单元间放置的EBG单元数仅为3个,但是工作频带内万方数据李有权,等:新型电磁带隙结构加载的微带天线阵71单元间的耦合系数都在一个较低的位置。在天线单元谐振较好的(6.2。6.6)GHz的频带内,耦合系数都低于一35dB,最低的达到了一39.6dB。2.2天线阵方向图在微波暗室中分别对普通天线阵和EBG结构天线阵的方向图进行了测量,测量频率为6.15GHz(此时天线单元具有相同的驻波比)。两个天线阵E面和H面方向图比较如图7所示。从图7(a)中可以看出,加载EBG结构后,对E面的旁瓣和后瓣抑制效果非常明显,E面方向图旁瓣及后瓣平均减小6dB,最大的地方降低了14dB,H面方向图比较如图7(b)所示,天线阵方向波束变窄,天线的旁瓣和后瓣平均减小5dB,同时天线阵前向增益增加2.5dB。测量结果说明加载EBG结构能有效抑制天线阵的表面波,降低天线旁瓣及后瓣,提高天线阵的增益。oo珊瑚抛瑚罨:珊加。180加300珈;芎:铷珈邶o(a)E面图7Fig.7EBG天线阵与普通天线阵方向图RadiationpatternsofEBGandantennaarray2.3天线阵增益采用比较法对所设计的两种天线阵增益进行测量,即把待测天线的增益与标准天线的增益进行比较,得出待测天线的增益。普通天线阵与EBG结构天线阵的增益曲线如图8所示。从图中可以看出,普通天线阵的增益在6.06GHz达到最高,为7.9dB,而在这个频点EBG天线阵的增益为10.4dB,增益提高了2.5dB。EBG结构天线阵在(6.05—6.58)GHz频带内增益几乎都在10dB以上,在6.41GHz时EBG结构天线阵增益达到了11.9dB。测试结果表明,采用新的EBG结构加载方法。在整个工作频段内有效地提高了天线阵的增益。这主要是由于EBG结构的表面波阻带作用,电磁波不能往四周而集中向前辐射,提高了辐射效率。图8普通天线阵及EBG天线阵的增益曲线Fig.8GainofantetmaarrayandEBGarray3结束语本文研究了新的EBG加载方式对微带天线阵性能的影响。所设计微带天线阵由EBG结构作为衬底,用以取代替天线的金属底板,有效地提高了微带天线阵的性能。对普通天线阵及EBG结构天线阵各种参数进行测量,结果表明以EBG结构为衬底的微带天线阵性能远远优于普通天线阵。加载EBG结构后,天线阵单元带宽从3.8l%提高到8.86%,在整个工作频带内天线阵的增益都得到有效提高,增益最高可达11.9dB。EBG结构有效地降低了天线阵单元间的耦合,使天线具有较好的扫描特性。(下转第77页)万方数据邹博,等:基于步进频率正交信号的星载MItClO-CMTI雷达空时频处理研究出SCNR趋于一致,能够进一步改善稀疏导致的角度模糊问题,提高系统的杂波抑制性能。4结论针对星载雷达GMTI应用,建立了MIMO雷达步进频率正交信号的基本参数确定准则,在此基础上,介绍了步进频率MIMO雷达的信号模型,并通过空时频联合自适应处理仿真,验证了MIMO雷达在杂波抑制和GMTI性能上的优势。常规自适应处理方法获得高性能的前提是:必须具有足够的同分布的训练样本,但星载雷达所处的杂波环境往往是非均匀的,因此,非均匀环境下的空时频联合处理及其降维方法将是下一步需要深入研究的内容。参考文FishierE,Haim稍chA,BlumRS,et81.1VIIMOalldsi.,AnIdeaWhoBeTimeHasCome【C]//Proc.IEEER丑dⅡConference。2004:71—78.ofElectricalKlerr.nR.Space-timeAdaptiveOe,lgProc蒯ngforHal.Polyph&CodeDesignorth删NettedPrinciplesandApplicatiom[1~1].‰InstitutionEngineers。lJ311don,1998.Rad口Systems[J].IEEETransactiomsign.JProc,e∞ing,2004,52(11):3126—3135.陆必应.天基GId'rl与解模糊方法研究[D].长沙:国防科技大学,2006.吴顺君。梅晓春.雷达信号处理和数据处理技术[M].北京:电子工业出版社,2008;68—71.袁孝康.星载合成孔径雷达导论[M].北京:国防工业出版社,2003:159—162.…嗍㈨…嘲旧ⅢⅢ…LeatherwoodSpace2000Conf唧&Ext%ition,2000.DA,NdvinDA,MelvinwL,GamhamJ.Hi曲-fidelityblTIModelingandAnalysis0fDistributedAoer恤却∽ebomec(唧[c]/,AIAA20011.剧herwoodwL,BqFs.Adaptivesio,aProce∞ingfora印ao触DistributedApeItIlm[C],,仙认SpBceProcaineUsingProlateCollfel'encl。&Exp08itian,2001.Chert(]aun-Yang.Vai由Ⅷ岫PTramactiomP.NIMORadarSpace-timeAdaptiveSpll硎dalWaveFunctions[J].IEEEsiol,aProeessing。2008,56(2):623—635.(上接第7l页)参考文献:[1]Ramo.G,PeterdlVl,Mlll'io‰.blicrowaveS.F_,nlumeedPatch—antennaPerfon'naneebySuppressingSuffa∞WavesUsingPhotonic·岫SuIJsh'ates[J].IEEEband[J].IEEETram.MicrowaveAntmnasTheoryTech。1999,47(11):2131—2138.J13,et[2]嘶S,LiJz,ROmtlJOFa1.Hi01-‘呷抵Ⅱ刚m删cSurfil嘣with0fForbidden钢u∞cyTheoryTeeh,1999,47(11):2059—2074.[3]闫敦豹,高强,等.一种基于改进高阻表面的微带天线[J].电子学报,2004,33(3):511—513.[4]JingL,Hung-YuDY.RMiatiotaClm-lietefistic8lVlicro商pPat&Over∞日ec缸Hla】酽埘cBand窜pSta'faee[J].IEEETramlteⅢItsof∞AMcFabricatedwithPI叩ag,2007,55(6):1691—1697.[5]lIlcKirmewE,R咿H[C]mV.EE【6]HajjSD,FultonMD.E)驴ri㈣talEBGAntennaMagnedcally-loadedElastomericSubstrateAntennasandPIDpa鲥∞SocietyT.Dual.bandIntematiomlsr,.删um,2008:1-4.M,RodesE,lVlonediereSectoralAntennaUsingSingle-layerPSSforUMTSApplication[J].IEEEAntmnasandel掣glitioliLetter8,2009,8:161—164.[7]嘶Q,I.offollahSF.1rnp硎IlgMicro商pPatchAmermaⅥrireles8PerfonmnceUsingEBGSIlh61:llttl§[J].IEEProe.blicrow.AntenⅢPI叩ag,2006,BaIld卿Materials[J].IEEE153(6).558—563.[8]FuYQ,YuanNc,EliminationofScanBlindnessin喇ArmyofMiero曲-ipPatchesusingElectromagneticAntmnasWirde∞PrDplag,2004,3:63—65.万方数据新型电磁带隙结构加载的微带天线阵
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):
李有权, 张光甫, 付云起, 袁乃昌, LI You-quan, ZHANG Guang-fu, FU Yun-qi,YUAN Nai-chang
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