基于超表面隔板的Vivaldi天线隔离度提升技术研究*

王 磊 曾宪亮 吴为军 陶 理 钟小瑛 方重华

（1.91404部队41分队 秦皇岛 066000）（2.电磁兼容性重点实验室 武汉 430064）（3.中国舰船研究设计中心 武汉 430064）

1 引言

超表面，通常被视为二维或者平面超材料结构，在近些年引起了研究者们浓厚的兴趣［1～2］。因其低剖面、易于加工和其他优良电磁特性，超表面被广泛用于天线设计［3～4］、隐身斗篷［5］和理想吸波体设计［6～7］中。超表面通常具有亚波长的周期和厚度，因此超表面可当成各向同性的均匀材料展开研究，采用等效媒质理论分析其传输和反射特性［8～9］。根据Maxwell方程组，电磁波无法在单负材料（介电常数或磁导率为负）传播［10］。这种特性，可以作为实现天线去耦的结构设计中。

在本文中，提出了一种基于SRR 的超表面结构，用于提升近距离分布的两个Vivaldi天线之间的干扰耦合。仿真结果表明，该SRR超表面结构在X 波段具有良好的带阻特性。在本研究中，采用等效媒质理论用于提取等效介电常数和磁导率，证实了在该工作频段的带阻特性。将该超表面加载于两天线之间，如图1所示，隔离度由30.7dB 提升至46.9dB。此外，仿真获取的远场方向图、峰值增益和效率同样证实，在采用去耦方法后，天线仍然具有较好的辐射性能。

图1 加载有去耦超表面的Vivaldi天线去耦效果示意图

2 超表面结构

2.1 单元结构

在本文中，采用SRR金属图案构成超表面单元模型，如图2所示。为了获得良好的谐振特性，两层相同金属图案的SRR 结构附着于介质两侧。在本研究中，选取的介质为FR4，其介电常数和损耗角正切分别为4.3 和0.025。单元优化后几何尺寸分别为p=7.5mm，ws=0.2mm，w1=1.2mm，gs=0.5mm，t=2mm。采用CST 微波工作室，仿真获取的S 参数如图3所示。可以清晰地看出，在8GHz～12GHz 频段内S21 小于-10dB，从而可在整个X 波段表现出良好的带阻特性。

图2 超表面单元模型示意图

图3 仿真获取的超表面S参数

2.2 等效媒质参数

为了深入分析其带阻机理，采用等效媒质理论研究其传输特性。在电磁波垂直照射下获取的S参数幅度和相位参数，可以反演计算出等效介电常数和磁导率［11］。计算过程可以从如下的公式获得：

提取的介电常数和磁导率如图4所示。由计算结果可看出，在8GHz～10.2GHz 频带内，磁导率实部小于0；在10.2GHz～12.4GHz频带内，介电常数实部小于0。因此，在整个X波段内，超表面表现为单负材料特性，从而实现如图3所示的带阻特性。可以预测，在加入本研究的提出SRR 超表面隔墙后，天线耦合将会得到极大降低。

图4 计算提取的超表面等效介电常数和磁导率实部

3 隔离度提升效果研究

3.1 Vivaldi天线

在本研究中，由于Vivaldi 具有较宽的工作带宽，采用Vivaldi天线作为参考研究对象。如图5所示，双曲渐变缝隙贴片和微带馈线蚀刻在低损耗介质上，介质为Rogers RT5880（εr=2.2，tanδ=0.0009），其厚度为1.6mm。最终的天线几何参数分别为la=50mm，wa=37.5mm，wr=18.6mm，dr=5.3mm，wp=1.3mm。

图5 Vivaldi天线

当本文提出的两个Vivaldi天线以30mm 的间距直线排列时，两天线之间存在严重的干扰，图6给出了天线的S 参数仿真结果，当加入超表面隔墙后，S21 在整个X 波段得到了明显降低。为了更为清晰地对比，10GHz 处，无加载下的隔离度为30.7dB，加载超表面后的隔离度提升为46.9dB。值得说明的是，在加载超表面和无加载超表面两种情况下，在8GHz～12GHz反射率低于-10dB，表现出良好的阻抗匹配特性。

图6 加载和无加载两种情况下，Vivaldi天线的S参数仿真结果

3.2 辐射特性

两种情况下，10GHz 处xoz和yoz平面的辐射方向图如图7所示。可以清晰地看出，辐射方向图、后瓣和波束宽度在超表面加载后出现了明显的变化。但是，在整个X 波段，仿真结果仍然证实了其良好的辐射特性。

图7 10GHz处仿真获取的xoz平面和yoz平面方向图

更进一步地，我们同样研究了天线的可实现增益，如图8所示。在加载超表面隔墙后，在整个仿真频段内增益都得到了一定的提升。在中心频点10GHz 处，加载超表面后增益由8.5dBi 提升至10.3dBi。此外，加载超表面的去耦天线后，总效率在8GHz～12GHz 范围内均在82%以上，在图8 中同样可以看到相关结果。因此，基于辐射方向图、峰值增益和总效率仿真结果，Vivaldi天线在8GHz～12GHz的宽频带内均保持较好的辐射特性。

图8 无加载和加载超表面两种情况下的峰值增益和效率仿真结果

4 结语

本文提出了一种采用超表面结构以提高隔离度的新方法。通过研究超表面的传输特性以及提取的等效介电常数和磁导率验证了超表面结构的带阻特性。为了验证本文提出去耦方法的有效性，设计了一对Vivaldi天线，并分析不同情况下的互耦特性。相比于无加载超表面情况，加载后的Vivaldi天线S21 得到了极大降低。此外，不同切面的远场方向图仿真结果同样证实了其良好的辐射特性。最后，峰值增益和总效率同样证实了加载超材料后辐射性能的提升效果，且工作频带覆盖整个8GHz～12GHz。因此，本研究提出的隔离提升方法，在MIMO 系统和相控阵天线中具有非常重要的潜在应用价值。