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 留言
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
原文始发于微信公众号（actMWJC）
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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。
