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基于弯曲巴伦及AMC的偶极子阵列不易被邻近金属平面影响
材料来源:《微波杂志》2020年5/6月号           录入时间:2020/6/15 15:48:59

Bent Balun Combined and AMC Backed Dipole Array Less Vulnerable to Nearby Metal Planes

Changhyeong Lee, Heejun Park and Sungtek Kahng, Incheon National University, Incheon, South Korea

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一种用于波束赋形的新型印刷偶极子阵列天线可降低附近金属平面对自己的负面影响。通过在每个印刷偶极子元件下放置一块较薄的人工磁导体(AMC)可以实现这一点。每个偶极子均由一个紧凑型弯曲巴伦馈电。该巴伦可连接到Butler矩阵馈电网络。对基于AMC的偶极子阵列的辐射测量结果表明,其在恶劣环境中脆弱性较低。

移动通信设备通常采用单极或倒L型天线。为了能在射频平台的有限空间内安装线天线,通常都会采取将辐射元件向金属面或湿表面或皮肤(对于可穿戴设备的场景)弯折至平行的做法。这些情况下,天线的输入阻抗匹配会受到影响,从而导致回波损耗降低以及辐射特性变差。这是因为处在理想电导体(PEC)附近时,线辐射器产生的电磁场会变成导波,而非放射波。1 为了充分发挥手机中线天线的功能,采用平面倒F型天线(PIFA)可避免这一问题2;而改变金属平面的边界条件则是另一种方法。

采用电磁带隙(EBG)结构可减轻偶极子位于PEC或人体组织附近时产生的问题。3-8 F.Yang等人3 将一个偶极子放置于一对4×3周期性蘑菇形结构的边缘。8GHz下,搭载有PEC的蘑菇形EBG能够降低S11并实现全方位覆盖。Abkenar和Rezaei4,5大面积使用装有PEC的7×7蘑菇形结构来产生11至14GHz的表面波阻带。他们实现了宽带EBG,但天线特性并无明显提升。根据Kim等人的研究6,辐射元件可以和EBG组件处在一个平面上,沿着弯曲的短路传输线以及叉指间隙放置7、8个单元。Shahvarpour等人7计算了实现AMC效果的PEC多层介质的高度,并发现在24GHz运行时辐射效率可提高40%。Soh等人9对Ayad等8设计的贴片进行了改进,以制造凹槽。用开槽贴片或弯折线来替代直偶极,可激励厚且宽的AMC。10-11 然而,迄今为止的各项研究中,含AMC的天线还不曾具备波束赋形及控制特性。

本文中,我们提出了一种基于薄型AMC的印刷偶极子阵列,该阵列连接一个Butler矩阵进行波束赋形,同时适用于恶劣环境(如靠近金属平面或会产生损耗的软性表面等)。为了把此方案应用于可穿戴波束赋形设备,我们将2.4GHz设置为工作频率。和其他加了AMC的天线相比,本结构的整体尺寸较小。它具备四个波束,即使位于PEC表面附近时也几乎不发生变化。本方法已经由全波仿真、还有S11及远场分布的测量结果得到了验证。

基于AMC的偶极子元件和阵列

为了说明AMC的优势,我们针对三种不同的边界条件,对一块FR-4基板上的偶极天线进行了实验。基板厚度为1mm,相对介电常数4.3,切向损耗为0.02。图1显示:“常规”(基板无附加物)情况下在2.4GHz处呈锐谐振,且具有全向辐射分布;装载PEC后,S11及远场辐射分布都显著降低;通过用PMC来替换偶极天线的底部边界,可改善其位于PEC附近时的S11曲线及辐射分布。为了用PMC来实现AMC,我们必须制造一个可在目标频段上工作的AMC。

Khattak和S. Kahng12提出了一种基于薄型AMC的偶极子,即使在非常靠近人体皮肤表面的情况下,也能实现良好的阻抗匹配、足够的天线增益以及较低的比吸收率。我们采用了这种方案作为阵列天线的基础;但对于平面阵列应用来说,这种几何形状并不合适,因为它是利用同轴电缆进行馈电的。为了能对偶极子进行馈电,我们需要一个传输线巴伦。该巴伦具有同相和异相(180度)通路,必须仔细进行配置,以避免影响位于天线下方的AMC的预期特性。

图2对比了直角巴伦的形态和常规设计。如果阵列元件横向对齐,那么印刷偶极子应当垂直于阵列的轴,所以常规布局就不合适了(图2a)。我们采用电磁(EM)仿真器进行最优化来确定设计。如图3所示,该结构将输入射频能量平均分配给目标频率下具有180度相位差的两条通路。与传统的巴伦不同,弯曲架构可为天线单元馈电,同时对AMC影响达到最小。

图4进一步展示了该结构的细节。直角巴伦位于金属带延伸的接地平面上,对印刷偶极子进行馈电。互补开口谐振环位于1mm厚的FR-4基板上,巴伦经过其旁边而不交叠,从而不造成干扰。该设计比传统巴伦更复杂,因为主通路和耦合通路的90度弯曲使得阻抗匹配变得困难。两条馈线之间为避免螺旋相交而留的小间隙也会影响阻抗匹配。2.4GHz谐振时的几何参数有l1、l2、l3、l4、l5、l6、d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、lsub、wsub、ltot、wtot、gap、w1以及w2,分别等于10、15、18、24、12、12.2、1、15、2.5、20、1、5、17.5、83.2、50、240、265、65、20和10mm。具备这样结构尺寸的元天线的性能如图5所示。

尽管巴伦存在不连续性,但在目标谐振频率2.4GHz上阻抗仍能匹配。EM仿真和实测结果非常吻合。天线增益接近2.5dBi,同时具有适合阵列合成的宽波束。不过辐射方向图的测量与仿真结果略有出入。

Butler矩阵及天线阵列设计

Butler矩阵是一种波束赋形网络,常用于波束赋形天线。13 它可以通过混合分支线耦合器、交叉网络以及移相器来实现波束赋形(图6)。表1列出了每个输入端口功率分布及相位关系的测量结果。由于FR-4基板有耗散,损耗超过了理想值;但每条通路的损耗特性是一致的,同时相位关系接近于理想Butler矩阵的情况。14 通过在横向上重复放置单个天线单元构成一个阵列,在目标频段测得其回波损耗小于10dB(图7)。

1Butler矩阵输入端口功率分布及相位关系的测量结果

测量结果

图8展示了集成天线阵列在良性(正常)环境下的远场辐射分布以及仿真和实测的阵列方向图。FR-4基板的耗散和不规则性造成了一定的差异。

如图9a所示,金属平面的位置紧邻装有AMC的偶极子天线。图9b为良性环境下四个不同波束,与图8c中的类似。但是,不使用AMC的偶极阵列(图9c)的测量结果截然不同,强烈影响了波束的方向性,同时还伴随有宽频带上的阻抗失配(|S11|>-4dB)。

小结

本文提出了一种新型扁平化波束赋形天线元件,采用了基于薄型AMC的偶极子和新型巴伦,对恶劣边界条件敏感度低。每四个上述元件搭配一个Butler矩阵来生成四个定向波束,而引入紧邻的金属平面几乎不会对其产生影响。


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