1 导言
微带天线因为具有其相关于其它天线的共同长处，广泛使用于各种通讯体系以及雷达、遥感勘察、导航以及生物医学等其它范畴。跟着信息技术的开展,需求研讨和开展具有更好功能的微带天线和阵列。为了取得高的增益以及取得波束扫描或波束操控等性质，需求将离散的天线单元组成阵列。在阵列环境中，天线单元之间存在能量上的彼此耦合，使天线的功能下降。一般微带贴片间的互耦是由空间波和表面波一起引起的。研讨标明，当天线的介质基片厚度较小时，单元间耦合主要是经过空间波进行的，表面波的影响可以忽略不计。关于较厚的基片，表面波的影响将加大，介质基片越厚，鼓励起的表面波模数越多，将有更多的功率耦合到鼓励起的多个形式中。当两天线单元间隔超越必定数值时，表面波的耦合开始起主导效果。互耦效应的存在将影响天线的方向图，输入阻抗以及阵列的增益，在天线阵的规划中有必要考虑。
为了减小天线单元之间的互耦，选用了光子带隙(photonic bandgap)结构。这种结构或者是在地板上蚀洞或者是在介质中打孔，以构成关于表面波传达形式的频率阻带，然后按捺表面波，减小耦合。这种办法尽管可以进步天线的辐射效率，但要在介质中周期性的打孔，制造进程费事，而在地板上很多蚀刻周期图画将导致天线的放置受到限制。则运用电磁带隙资料 (EBG)的带隙特性按捺表面波的传达，下降天线互耦。EBG结构是由若干个单元组成的阵列构成，因而结构剖析比较复杂。
和PBG结构类似，DGS结构也是经过在电路的接地板上刻蚀出缺点图画(defected pattern)，以改动电路衬底资料有用介电常数的散布，然后改动根据该介质上微带线的散布电感和散布电容，然后使得此类微带线具有带隙(bandgap)特性和慢波(slow-wave)特性，具有制造简略、体积小、便于集成等长处。与EBG(PBG)结构比较DGS结构的长处在于无需树立周期结构即可在某些频率点发生谐振，供给杰出的带隙特性，且只需用一个简略的LC等效电路模型就可表征，可进行电路级快速剖析。在平等工艺条件和功能要求上，对考虑电路尺度而带来经济本钱变化较灵敏的集成电路职业而言，以及当时对无线通讯设备的小型化需求，DGS结构比EBG(PBG)结构更具有竞争力。现在，该结构已被广泛使用于微波电路的分立部件规划中，如微带线、滤波器、谐振腔、放大器、振荡器、天线等。
可是据作者所知，很少有文献研讨DGS对阵列天线单元之间互耦的效果。本文运用Ansoft HFSS仿真软件剖析DGS的频率特性,运用电磁场仿真成果和Ansoft Designer的电路仿真成果提取其等效电路的参数值，并研讨缺点地结构对阵列天线单元之间互耦以及天线功能的影响。为充分说明DGS结构对天线功能参数的影响，文中还一起给出了具有相同结构尺度的一般贴片天线阵列的功能参数，并将两者进行了比较。
2 DGS结构及其带隙特性
本文中规划了阻带中心频率约为6.5GHz的DGS结构。电路选用介质基板的相对介电常数为10.2，厚度为2mm，微带线为一般50Ω阻抗线，宽度为3mm。DGS结构由两个背靠背的U形槽构成，如图1所示。DGS结构参数为l1=3.3mm, w1=7.4mm, g= 4.5mm，s=1.5mm。蚀刻的单个U形槽可以等效为LC并联电路，如图2所示。改动DGS的参数也必将改动其频率特性和等效的LC参数值。
本文选用Ansoft HFSS对微带线的传输特性进行了仿真，仿真成果如图3所示。成果显现该DGS微带传输线具有很宽的阻带特性，从5.64GHz到7.26GHz损耗都大于20dB，带内最低点到达38.6dB。
DGS单元的频率特性曲线与双极点巴特沃斯低带阻滤波器的呼应类似,都可由其3dB截止频率和谐振频率决议。因而,令LC并联的等效阻抗与双极点巴特沃斯带阻滤波器的阻抗持平,则可求出LC并联电路的电感值和电容值。由仿真成果提取的DGS等效电路参数值别离为：L1=1.682nH, C1=0.400pF, L2=1.747nH, and C2=0.321pF。图3是DGS单元的三维场仿真成果与其等效LC电路仿真成果的比较。仿真成果显现,两者的频率特性曲线根本共同, DGS单元可用LC并联电路等效。
图1 DGS微带线示意图
图2 DGS微带线等效电路图
3 微带阵列天线的规划与剖析
高介电常数有利于减小天线单元尺度，而添加介质厚度可以展宽带宽。可是这样也会使表面波的鼓励更严峻，然后导致激烈的耦合致使天线功能下降。文献[10]研讨了介电常数和介质厚度对微带天线单元之间耦合的影响。研讨标明,当基板较厚时，微带天线阵元E面的互耦在介电常数较大时比较激烈，而H面的互耦在介电常数比较小的时分比较激烈。在这里咱们选取介电常数为10.2 ,基板的厚度为2mm的基底，此刻，E面的互耦显着强于H面的互耦。咱们规划了一个运用同轴馈电的E面耦合的二元阵，结构如图4。微带天线单元的尺度为：6.8mm × 4mm，两天线单元之间的间隔为36.9mm (0.75lg)。
为了下降E面的耦合，咱们在阵元之间引进DGS结构，当天线的辐射频率正好落在DGS的带阻频段的时分，表面波被按捺，然后减小了阵元之间的耦合。
图3 DGS单元的仿真成果
(a)
(b)
图4 二元天线阵结构图(a)俯视图(b)背视图咱们别离核算和测验了带有DGS结构和不带DGS结构两种情况下的插入损耗和回波损耗，如图5、图6所示。基板不加DGS结构的一般贴片天线阵列的作业频率为f 0= 6.04 GHz，引进DGS结构之后，天线的作业频率几乎没有偏移，这说明DGS对天线谐振频率的影响很小。从S21参数可以看出，在天线单元E面间引进DGS结构今后，天线之间的耦合显着下降。在作业频率上，天线阵元之间的耦合从没有DGS结构存在时的-16.9dB下降到了有DGS结构时的-25.9dB,减小了9dB。
图5 仿真与测验的回波损耗
图6 仿真与测验的插入损耗
这说明了DGS结构可以有用的削弱阵列单元之间的耦合效果。
为了进一步看出DGS对天线的远场辐射特性的改进效果, 图7比较了两种不同结构的阵列天线在谐振频率处的E面辐射方向图。可以看出，E面方向图的改进是显着的, 整个的波束愈加收拢,榜首副瓣电平的相对值减小了3dB，增益添加不是很显着，进步了大约1dB。可见该DGS结构可以下降天线阵元之间的耦合，减小旁瓣电平，进步天线的增益，然后改进天线阵的辐射功能。
4 结语
本文侧重研讨了一种DGS结构的带阻特性，及其对微带天线阵的影响。将其使用于微带贴片阵上，并将其与未加DGS结构的微带天线阵进行了比较。成果剖析标明，该DGS结构可以显着下降天线阵元之间的耦合，增大天线的增益，对天线功能有显着的改进效果。
图7 E面仿真方向图
这种简略的DGS结构在按捺天线阵列阵元之间耦合的规划中具有很好的使用远景。
