基于超表面隔板的Vivaldi天线隔离度提升技术研究.pdf

总第351期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12。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34、隐身斗篷5和理想吸波体设计67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 89。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、峰值增益收稿日期：2023年3月10日，修回日期：2023年4月12日作者简介：王磊，男，研究方向：电磁兼容。舰 船 电 子 工 程Ship Electronic Engineering总第 351 期2023 年第 9 期Vol.43 No.9基于超表面隔板的Vivaldi天线隔离度提升技术研究王磊1曾宪亮2，3吴为军2，3陶理2，3钟小瑛2，3方重华2，3（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）摘要该研究提出了一种由方形分裂环（SRR）单元构成的超表面隔板结构，该结构可降低工作于X波段的两个Vivaldi天线之间的干扰耦合。采用等效媒质理论，分析了超表面结构介电常数和磁导率的单负特性，从而引起的带阻效应。与相距为30mm的参考无耦合天线相比，加载超表面后的天线隔离度在10GHz处提升了16dB。此外，仿真结果同样证实了，加载论文提出的超表面结构后，天线的辐射方向图、峰值增益以及总效率均得到了有效提升。关键词超表面；Vivaldi天线；天线隔离度；天线方向图中图分类号TN82DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2023.09.012Research on Isolation Enhancement of Vivaldi Antenna Based onSuper-surface ClapboardWANG Lei1ZENG Xianliang2，3WU Weijun2，3TAO Li2，3ZHONG Xiaoying2，3FANG Chonghua2，3（1.Unit 41，No.91404 Troops of PLA，Qinhuangdao066000）（2.Science and Technology on Electromagnetic Compatibility Laboratory，Wuhan430064）（3.China Ship Development and Design Center，Wuhan430064）AbstractIn this paper，a super-surface clapboard structure consisting of square split ring（SRR）elements is proposed，which can reduce the interference coupling between two Vivaldi antennas operating in the X-band.Based on the equivalent mediumtheory，the single negative characteristics of permittivity and permeability of the super-surface structure are analyzed.Comparedwith the reference uncoupled antenna with a distance of 30 mm，the isolation of the antenna is increased by 16 dB at 10 GHz.In addition，the simulation results also confirm that the radiation pattern，peak gain and overall efficiency of the antenna are effectivelyimproved after loading the proposed super-surface structure.Key Wordssuper-surface，Vivaldi antennas，antenna isolation，antenna patternClass NumberTN8254舰 船 电 子 工 程2023 年第 9 期和效率同样证实，在采用去耦方法后，天线仍然具有较好的辐射性能。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8GHz12GHz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。Metasurface wallVivaldi antennaVivaldi antenna15mm15mmzyx图1加载有去耦超表面的Vivaldi天线去耦效果示意图FR-4FR-4pw1w1wst tE EkH图2超表面单元模型示意图68101214Frequency/GHz0-10-20-30-40Sparameters/dBS11S21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：z=(1+S11)2-S221(1-S11)2-S221（1）n=1ktcos-112S21(1-S211+S221)（2）=nz，=nz（3）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 8GHz10.2GHz 频带内，磁导率实部小于0；在10.2GHz12.4GHz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。68101214Frequency/GHz2001000-100Permittivity630-3Permittivity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3.1Vivaldi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（r=2.2，tan=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。lawawpwrwrdrTop viewBottom view图5Vivaldi天线当本文提出的两个 Vivaldi天线以 30mm的间55总第351期距直线排列时，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8GHz12GHz反射率低于-10dB，表现出良好的阻抗匹配特性。68101214Frequency/GHz0-10-20-30-40-50-60Sparameters/dBS11w/o MSS21w/o MSS11with MSS21with MS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。w/o MSwith MS200-20Re.Gain/dB-6060120-180-1200（a）xoz平面w/o MSwith MS200-20Re.Gain/dB-6060120-180-1200（b）yoz平面图710GHz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8GHz12GHz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 8GHz12GHz的宽频带内均保持较好的辐射特性。89101112Frequency/GHz2015105Gain/dBiw/o MSwith MS100806040Efficiency/%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8GHz12GHz。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。参 考 文 献1A.Li，S.Singh，D.Sievenpiper.Metasurfaces and theirapplications J.Nanophotonics，2018，7（6）：989-1011.2S.B.Glybovski，S.A.Tretyakov，P.A.Belov，et al.Metasurfaces：From microwaves to visible J.Phys.Reports，2016，634：1-72.3J.Wang，Y.Li，Z.H.Jiang，et al.Metantenna：Whenmetasurface meets antenna again J.IEEE Trans.Antennas Propag.，2020，68（3）：1332-1347.王磊等：基于超表面隔板的Vivaldi天线隔离度提升技术研究56舰 船 电 子 工 程2023 年第 9 期4Y.Fan，J.Wang，Y.Li，et al.Low-RCS and high-gaincircularly polarized metasurface 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coefficientsJ.Phys.Rev.B，2002，65（19）：195104-195108.禁飞区域管理。通过军地相关部门对接，出台相关技术规范，使无人机厂家在出厂时把机场、军事目标、重要敏感营区设置为禁飞区域13，并要求在无人机飞行程序设计时预留接口，经审核，可添加禁飞区域。同时实现禁飞区域在平台实时呈现。6结语本文主要探讨了无人机对军事目标带来的威胁挑战，分析无人机探测技术、无人机抵近的处置技术，对搭建无人机安全管控平台建设进行了讨论，为重要目标特别是军事目标安全防护提供了一种可行性手段。参 考 文 献1郭彬，孙可.从民用机场角度谈民用无人机的管控 J.民航管理，2022（08）：85-91.2王远航.小微型无人机作战应用及其应对策略研究 J.舰船电子工程，2022，42（07）：5-8，13.3邹清龙，武连全，樊梓涵.无人机涉恐风险防范与管控策略研究 J.北京警察学院学报，2022（02）：41-45.4王凯.智能化背景下美军无人机作战发展研究 J.舰船电子工程，2022，42（04）：14-16，48.5陈叶民，万良金.无人机监测与管控技术研究 J.信息技术与信息化，2020（08）：219-221.6费连.民用微小型无人机飞行管控的难点及解决方案探究 J.中国无线电，2020（04）：10-12.7焦博，丛佃伟.导航干扰技术在无人机防御中的应用展望 J.无线电工程，2021，51（10）：1019-1024.8赫永磊，李冬，王肖飞.电子对抗手段干扰无人机GPS/INS 导航系统效能分析 J.舰船电子工程，2020，40（12）：44-47.9秦志荣.无人机管控系统的设计与实现 D.扬州：扬州大学，2021.10邹明普，邹磊.无人机飞行管控系统的设计与实现 J.北京测绘，2015（01）：75-79.11谢辉.无人机综合管控系统在大型站场的应用 J.电子制作，2022，30（04）：62-64.12周旭.民用无人机“黑飞”的行政立法研究 D.北京：中国政法大学，2020：7-9.13刘金奎.无人机电子围栏规划中关键技术的研究 D.广汉：中国民用航空飞行学院，2018：2-38.（上接第9页）57