胡立忠 闾建详 姚建国 周亮

摘 要： 通过在方形金属贴片上构造大量缝隙和环，改进设计了一种小型化频率选择表面结构，其电尺寸极小，仅为[0.063λ0×0.063λ0]（[λ0]是天线在自由空间工作波长）。采用CST软件对这种结构的频率响应特性进行了系统的分析和讨论，其具有良好的阻带特性以及角度和极化稳定性。基于该频率选择表面的频率选择特性设计了一款二元单极子天线阵，通过在天线间加载频率选择表面，有效地抑制了天线间的空间波耦合，使天线间互耦下降了9.7 dB，并且天线增益提高、方向性变好。因此，该频率选择表面在设计高性能天线阵方面具有广阔的应用前景。

关键词： 频率选择表面； 单极子天线阵； 解耦； 电磁特性

中图分类号： TN826?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）05?0081?04

0 引 言

解耦是天线研究领域的一个重要分支，天线阵单元间由于近场效应和表面波的相互作用不可避免的会产生耦合[1?2]。天线间的互耦可以导致阵元与馈电网络之间阻抗失配、副瓣电平增大、阵元方向图畸变以及扫描盲点等一系列恶劣结果。通常在设计制作天线阵时，天线单元间距需要控制在[λ02]以上来确保单元间合适的隔离度和低相关性。然而，这势必会造成天线阵信道容量下降，并且与现代无线通信设备日益增长的高集成化和小型化的发展趋势相违背。

常用的解耦方法有在多天线单元之间加入谐振槽或缺陷地结构[3]、电磁带隙结构[4]、频率选择表面（Frequency Selective Surface，FSS）[5]、单负超材料[6]等各类填充结构，利用它们的带阻特性在天线工作频率范围内形成频率禁带，从而实现降低天线单元间互耦和提升天线阵性能的目的。

本文研究分析了一种小型化频率选择表面，采用CST软件对FSS的频率响应特性进行了系统的分析和讨论，其具有良好的阻带特性以及角度和极化稳定性。利用FSS的频率选择特性设计了一款弱耦合紧凑型二元单极子天线阵，通过在天线间加载频率选择表面，天线间互耦下降了9.7 dB，解耦效果显著，并且天线单元的远场辐射特性得到优化。

2 基于FSS的弱耦合二元单极子天线阵设计

利用频率选择表面的电磁滤波特性，通过在天线阵单元间加载频率选择表面可以抑制天线间的耦合，从而缩小天线单元间距并提高天线阵性能。基于这一思想，本节设计了一款小间距低耦合的二元单极子天线阵，其结构如图5所示。两天线间加载的是一块4×3的FSS阵列，其中FSS采用的是上一节所设计的工作在1.9 GHz的频率选择表面。金属地板的面积为60 mm×60 mm，介质环采用的是介电常数为2.65，厚度为3 mm的介质材料，通过参数优化设计使天线阵与频率选择表面的工作频点相一致，均为1.9 GHz。天线阵的结构参数如表4所示。

为了验证频率选择表面的解耦效果，对未加载FSS的参考天线阵和加载FSS的天线阵进行了加工制作和测试，天线实物如图6所示，这里参考天线阵所取的物理参数与所设计的FSS加载天线阵完全相同。采用矢量网络分析仪N5230C对天线阵的二端口S参数进行测试，仿真和测试结果如图7所示。从图7中可以看出，仿真和测试结果吻合较好，加载FSS的天线阵与参考天线阵的S11在工作频段均优于-15 dB并且谐振频点无偏移，说明频率选择表面的引入并未影响天线阵的阻抗匹配。测试结果显示，通过加载FSS，天线阵的S21峰值从-9.3 dB下降到-19 dB，降幅达到9.7 dB，说明天线间的互耦得到显著抑制，这正是因为FSS的空间滤波特性，使得电磁能量在两天线间无法传递，从而减小了天线间的耦合作用。

为了研究FSS的引入对天线阵远场辐射特性的影响，在微波暗室中对天线阵的辐射方向图进行了测试，测试时其中一个天线单元馈电，另外一个加载50 Ω匹配负载，这样测得的便是阵元的方向图。图8（a）是天线阵在1.9 GHz处的H面方向图，它位于图5中的[xOy]平面。FSS加载天线阵的电磁能量更集中于某一特定区域，这样其方向性和增益更好，结果显示加载FSS后天线阵的增益从1.08 dB增加到3.09 dB。图8（b）是E面方向图，它位于图5中的[xOz]平面，同样显示其前向增益提高并且方向性更好。另外值得一提的是两天线相距很近，[l2=λ08，]这对于设计小型化天线阵具有重要意义。

3 结 语

本文研究了一种小型化频率选择表面，分析了其电磁特性，验证了其具有带阻特性好、小型化程度高、稳定性好等优点。基于该FSS的频率选择特性设计了一款二元单极子天线阵，通过在天线间加载频率选择表面，天线间耦合下降了9.7 dB，并且天线的增益提高、方向性变好。这些都说明该FSS在设计小型化、高性能天线阵中具有很好的应用价值。

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