毫米波雷达组件#4

1年前浏览704

大多数微带天线的一个共同特性是除了辐射到自由空中的场之外，天线还激发接地板的主要TM0表面波模式，见下图:

表面波是波数为β_TM0 的导模，在水平面呈放射状扩散，衰减速度为1/ρ1^/2，其中ρ是圆柱坐标系中距天线的距离。对于大于ρ的距离，表面波表现为平面波，在基板内上下反弹超过临界角。在上方的空气区域呈指数衰减，（上图中由尺寸减小的水平线表示）。由于表面波随着距离ρ缓慢衰减，如果介质基板延伸到很远的距离，它会在距离天线相当远的地方引起耦合和其他不良影响。对于有限尺寸介质板而言，表面波从介质板的边缘反射和衍射，从而导致辐射方向图的扰动，同时表面波的传输意味着功率的损失。此外，TM0表面波的激发还导致远距离天线元器件间的互耦增加，且TM0表面波具有零截止频率，因此微带天线总是会激发一些表面波。

除表面波激励外，微带天线还会产生横向辐射，即从天线水平（横向）向外传播的辐射。横向辐射存在于电介质界面和界面附近的上方空气区域，具有自由空间的波数。在介质板内部，对于大距离ρ，该场具有平面波场的特征。对于距天线的小距离和中等距离，横向辐射场通常比表面波场更重要，具体取决于介质板的介电常数和厚度。在典型的微带天线中，小于10个波长以内距离中，横向辐射场占主导作用。大于10个波长时，表面波为主要干扰来源[1]。

[1]：Antenna handbook of antenna technologies:Reduced Surface Wave Microstrip Antennas；

对于阻抗表面的情况，TM表面波只能在电感表面上传播。而TE表面波仅在电容表面传波。为了消除TE和TM表面波的传播，电磁带隙结构同时具有电感性和电容性的表面结构，可以等效为一种LC谐振结构。实际应用中，可以通过在表面上做周期性谐振结构来限制有限频带上的表面波。当表面波从不连续的结构上流经并辐射时，周期性结构能阻断表面波传播，从而在某些频率范围内产生高阻抗带隙。

表面阻抗模型通常由集总电感和电容组成，在一定频率范围内呈高阻抗特性。EBG表面的表阻抗等于谐振LC电路的等效阻抗。只要表面结构的重复周期与表面波波长相比小得多就可以用谐振电路的方法分析。下图为经典周期性结构中单个晶胞的等效电路及等效的表面阻抗表达式，并绘出表面阻抗和频率关系图以及色散图；

在低频下，表面阻抗是感性的并且支持TM波，从色散图上可以看出，低于谐振频率的TM波像金属电介质上一样靠近Light line，随着频率的增加，TM曲线开始弯曲。弯曲的斜率表面，随着频率接近谐振频率，TM波被表面有效的减慢。

表面阻抗在中频处是容性的，并且支持TE波，色散曲线中的TE曲线除了靠近谐振频率的一小部分外，其余远离Light line弯曲。在谐振频率附近，表面阻抗非常高，TE波和TM波的群速度都非常低，因此可以将TM波和TE波曲线之间的区域视为波传播的阻带，下限为TM波曲线的最大点，上限为TE波曲线与Light Line曲线的交点。

对不同周期结构的单元晶胞进行仿真分析，读者朋友们可以尝试将以下几种结构加入到77GHz的天线设计中，通常遇到的问题在于禁带带宽过窄，如周期结构单元#1，或者小型化设计的问题，如周期单元结构#2和#3的对比。可以看到的是，结构#3由于接地位置的偏移，从等效电路的观点来看，对应的电容值和电感值均有所变化，可以实现更宽的禁带带宽。见单元#2和单元3的模式对比。

单平面紧凑型光子带隙 (UC-PBG) 如结构#5和#6。表面结构上的每个单元格由一个方形金属垫和四个连接分支组成。电容是由相邻焊盘之间的间隙引入的，而电感是由窄分支提供的。串联电感与并联电容构成并联LC电路阵列，在谐振频率下具有高表面阻抗。与蘑菇状结构相比，UC-PBG 具有更紧凑的尺寸，使其易于与其他射频和微波组件集成。由于相对较宽的带宽和表面波抑制效应，UC-PBG 结构已被用于许多应用，例如紧凑型天线、减少互耦、滤波器应用、泄漏抑制以及功率放大器的谐波调谐。