高阻抗表面对宽带蝶形天线辐射性能的改善_孟宪锟

带蝶形天线中，并对加载前后的天线性能进行仿真 分 析 和 比 较。 结 果 表 明： 加 载 高 阻 抗 表 面 后，蝶 形 天 线 方 向 图 后 瓣 得 到 明
显抑制，13% 的相对带宽内天线增益提高了 2． 7 dB。由于高 阻 抗 表 面 的 同 相 反 射 特 性，加 载 时 可 紧 贴 于 蝶 形 天 线 背 面，整 体
电磁场仿 真 软 件 充 分 比 较 了 单 元 的 各 种 结 构 参 数
对其性能的影响，为 后 面 将 高 阻 抗 表 面 与 蝶 形 天 线
结合提供了指导。 在 对 反 射 相 位 特 性 的 分 析 中，只
需建立一个 单 元 （ 如 图 3 （ a） 所 示 ） ，并 在 其 四 周 应
用周期边界条件，以 此 来 模 拟 由 这 些 单 元 周 期 性 排
2010 年 4 月 13 日收到 第一作者简介：孟宪锟（1985 —） ，硕 士 研 究 生，研 究 方 向：人 工 电 磁 材料理论与应用。E-mail：mengxiankun07 @ mails． gucas． ac． cn。
蝶形天线 是 脉 冲 型 探 地 雷 达 中 广 泛 采 用 的 一 种宽带天线，具有 工 作 频 带 宽、易 于 加 工 等 优 点，但 是其方向图后瓣 过 大。 为 解 决 这 一 问 题，传 统 手 段 是在距离天线四分 之 一 波 长 处 放 置 金 属 接 地 板，但 同时大大 增 大 了 结 构 的 整 体 高 度。 将 一 种 蘑 菇 型 （ Mushroom） 高阻抗表面应用 于 蝶 形 天 线，这 种 高 阻 抗表面 具 有 可 调 节 的 参 数 多，便 于 加 工 制 作 等 优 点。结果表明，加载 了 高 阻 抗 表 面 的 蝶 形 天 线 增 益 明显提高，后 向 辐 射 大 大 削 弱，同 时 降 低 了 天 线 的 整体高度。本文的 研 究 结 果 表 明，高 阻 抗 表 面 可 有 效地改善蝶形天线的整体性能。
由于高阻 抗 表 面 单 元 的 金 属 贴 片 和 导 电 通 孔 的尺寸远小于其工 作 波 长，可 以 从 集 总 参 数 电 路 角
20 期
孟 宪 锟 ，等 ：高 阻 抗 表 面 对 宽 带 蝶 形 天 线 辐 射 性 能 的 改 善
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图 1 阻抗表面结构示意图
度分析其 电 磁 特 性。 当 电 磁 波 在 高 阻 抗 表 面 中 传 播时，会在 金 属 贴 片 表 面 产 生 感 应 电 流，电 流 沿 着 金属贴片的表面经 由 金 属 通 孔 流 到 接 地 板，因 此 可 以等效为电 感； 另 一 方 面，在 金 属 贴 片 和 接 地 板 之 间以及相邻的金属 贴 片 之 间 会 积 累 电 荷，因 此 可 以 等效 为 电 容。 这 样，可 以 用 简 单 的 并 联 LC 等 效 电 路来表示，它们的 特 性 就 如 同 LC 谐 振 电 路，如 图 2 所示。
的边长，g 为相邻金属贴片之间的距离，r 为金属通
孔的半径，h 为介质基板的厚度。
根据上面的等 效 电 路 模 型，高 阻 抗 结 构 的 表 面
阻抗可近似表达为
ZS
=
1
jωL － ω2 LC
（3）
其谐振频率 （ 也 就 是 高 阻 抗 表 面 的 阻 带 中 心 频 率 ）
和带宽分别为：
ω0 = 1
振特性，高阻抗表面 只 能 在 有 限 的 带 宽 内 实 现 近 似
同相反射。通常将反射相位 φ 满足 －
π 2
＜φ
＜
π 2
所对应的 频 率 范 围 定 义 为 高 阻 抗 表 面 的 同 相 反 射
带宽。
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科学技术与工程
10 卷
图 3 高阻抗表面单元的仿真结果
1． 4 单元结构参数对同相反射带宽的影响 为实现高阻抗 表 面 的 快 速 设 计，针 对 单 元 结 构
图 4 单元结构参数对反射相位特性影响
2 天线结构
蝶形偶极天线 具 有 工 作 频 带 宽、制 作 简 单 等 优 点，广泛应用于脉 冲 式 探 地 雷 达 领 域。 天 线 结 构 如 图 5（ a） 所示，介 质 板 采 用 相 对 介 电 常 数 εr = 2． 65 的材 料，长 度 L = 60 mm，宽 度 W = 30 mm，高 度 H = 2 mm，在表面上蚀刻蝶形天线。蝶形天线的单 臂长度为 l = 25 mm，张角（ flare angle） 为 α = 60°。 利用软件对图 5（a）所示天线进行仿真分析。图 5
同相反射特性，可 以 等 效 为 人 工 磁 导 体。 假 设 高 阻 抗表面结 构 位 于 xoy 平 面，电 磁 波 沿 着 － ^z 方 向 入
射。空间中的场方程可以写为
{ E（ z） = Ei ejkz + Er e －jkz H（ z） = Hi ejkz － Er e －jkz
（6）
同时，根据高阻抗表面（ z = 0 ） 处的边界条件
结构简单紧凑。研究结果在探地雷达等宽带系统中具有很好的应用前景。
关键词 电磁带隙结构 高阻抗表面 探地雷达 蝶形天线
中图法分类号 TN82；
文献标志码 A
1987 年，美国 Bell 实验室的 E． Yablonovitch 在 讨论如何 抑 制 自 发 辐 射 时 提 出 了 光 子 晶 体 这 一 概 念 ［1 ］。几乎同时，Princeton 大 学 的 S． John 在 研 究 无序电介质材料中的光子局域现象时也发现了这 一现象 ［2 ］。光子晶体最显著的特性就是，当 光 波 在 晶体中传播 时，某 些 频 率 范 围 的 波 将 不 能 通 过，该 频率 范 围 被 称 作 光 子 带 隙 （ Photonic Band Gap， PBG） 。在微波与毫米波频段内的光 子 晶 体 又 称 为 电 磁 带 隙 （ Electromagnetic Band Gap ） 结 构。 由 于 EBG 结构能够在一定频 带 内 抑 制 表 面 波 ［3］，可 用 来 改善传统微波器件的性能。在微带电路里 EBG 结 构可以用作带阻滤波 器 ［3，4］、高 Q 值 谐 振 器 ［5，6］等。 EBG 结构同样为天线领域带来了新的发展，用来 改 进宽带天 线 ［7］、拓 宽 天 线 频 带 ［8］、减 小 阵 列 天 线 的 互耦 ［9］。1999 年，美国学者 D． Sievenpiper 最先提出 高阻 抗 表 面 （ High Impedance Surface，HIS ） 的 概 念 ［10］，他发现在一定的频 带 内，特 定 结 构 EBG 的 表 面呈现高阻 抗 性 能，可 看 作 等 效 磁 导 体，它 使 反 射 波的电场与入射波同相位。
1 高阻抗表面分析与设计
1． 1 高阻抗表面结构 D． Sievenpiper 的 Mushroom 型 高 阻 抗 表 面 是 将
特定形状 的 单 元 结 构 周 期 性 排 列 后 形 成 的 阵 列 结 构，如图 1 所示。单元由四部分构成，最下层为金属 接地板，中 间 分 别 是 介 质 板 和 金 属 通 孔，最 上 层 是 小金属贴片。 1． 2 等效电路模型
中的四个 主 要 参 数 对 高 阻 抗 表 面 同 相 反 射 特 性 的 影响进行仿真。
从仿真结果（ 如图 4 所 示 ） 可 以 看 出，随 着 贴 片 宽度的 增 大，零 度 反 射 相 位 所 对 应 的 谐 振 频 率 下 降。更进一 步，在 谐 振 频 率 处 的 曲 线 斜 率 变 陡，意 味着带宽变窄，这可用集总 LC 模型来解释：较 宽 的 贴片产生的 电 容 较 大，因 此 谐 振 频 率 降 低，带 宽 变 窄。随着缝隙宽度的 逐 渐 增 大，谐 振 频 率 上 升。 可 以看出，缝隙宽度的 变 化 所 带 来 的 影 响 与 贴 片 宽 度 相反。缝隙宽度 g 控制着贴片单元之间的耦合。根 据集总参 数 模 型，增 大 缝 隙 宽 度 会 降 低 等 效 电 容， 因此使得谐振频率升高。随着介质板厚度的增加， 谐振频率降低。根 据 等 效 电 路 模 型，当 介 质 板 厚 度 增加时，等 效 的 电 感 也 随 之 增 加，因 此 谐 振 频 率 降 低。随着介 电 常 数 的 增 大，谐 振 频 率 降 低，带 宽 也 随之减小。因此，实 际 中 可 以 采 用 高 介 电 常 数 的 基 片来减小 EBG 结构单元的尺寸，但是相应的代价就 是带宽的减小。
图 2 高阻抗表面的集总参数模型
其中，单元电感 L 和单元电容 C 分别为
L = μ0 μrh
（1）
( ) C = wε0 （1 + εr ） cosh －1 w + g
π
g
（2）
μ0 为真空中的磁导率，ε0 为 真 空 中 的 介 电 常 数，εr 为介质基板的相对介 电 常 数，w 为 正 方 形 金 属 贴 片
高阻抗表面对宽带蝶形天线辐射性能的改善
孟宪锟1，2 李 超1 方广有1
（ 中国科学院电子学研究所1 ，北京 100190 ；中国科学院研究生院2 ，北京 100049 ）
摘 要 研究利用高阻抗表面改善宽带蝶形天线的辐射性能。通过对高阻抗表面的单元结构进行等效电路分析和全波电磁
仿真分析，定量表征高阻抗表面的同相反射频带与其单元结构参数的关系。 在 此 基 础 上，将 优 化 设 计 的 高 阻 抗 表 面 加 载 到 宽
3 高阻抗表面对天线性能的改进
根据镜像原理，对 于 平 行 放 置 于 理 想 电 壁 上 的 电流源，其镜像电 流 源 与 原 电 流 源 方 向 相 反。 对 于 背腔天线，常 用 金 属 屏 蔽 罩 作 为 其 背 腔，屏 蔽 其 后 向辐射，为 了 不 降 低 天 线 的 前 向 辐 射 性 能，通 常 金 属屏蔽罩与天线主体之间保持 λ /4 的距离。而对 于平行放置于理想 磁 壁 之 上 的 电 流 源，由 于 其 镜 像 电流源与原电流源 方 向 相 同，即 使 将 天 线 放 置 于 靠 近磁壁的位 置 时，也 不 会 产 生 抵 消 的 效 果，因 此 可 以利用高 阻 抗 表 面 的 这 一 特 性 来 代 替 传 统 背 腔 天 线的金 属 屏 蔽 罩，从 而 实 现 降 低 背 腔 天 线 剖 面 的 目的。