天线之间的相互耦合主要是由于空间波和表面波。特别是平面天线,如微带贴片,会受到表面波的显著影响。表面波不仅会增强相互耦合,还会增强横向辐射,从而导致内轴瞄准增益降低。因此,通过减轻表面波来减少相互耦合是解耦工作的重点之一。表面波是指被限制在两种媒质交界面上,并沿该界面传播的电磁波。这篇文章简单的认识一下表面波的机理。
As shown below👇
surface wave
表面波是指被限制在两种媒质交界面上,并沿该界面传播的电磁波。
其特性包括:
传播方式:表面波沿导波结构表面传播,而在垂直于表面的方向上,其场强按指数律递减。
速度特性:表面波的传播速度通常小于自由空间的波速,因此传输表面波的结构被称为慢波结构,表面波天线也因此被称为慢波天线。
分类:表面波可以分为快波(或称漏波)和慢波(或称聚波)两类。快波沿导波表面传播的相速大于光速,而慢波则小于光速。
根据斯涅尔定律有,
当ε1>ε2时,从介质1入射到介质2会有临界角,当入射角大于临界角会产生全反射,此时透射场表达为
可以看到,在x方向沿着分界面传播,在z方向呈指数衰减,被限制在分界面传播。
表面波是一种非均匀平面波,因为它的传播因子在x方向,振幅变化在z方向。
根据上式,可以算出它的坡印廷矢量
表明在z方向是没有实功率流动的。
辐射效率:表面波在介质基片内部传播时,如果无法有效透出介质参与正常辐射,将导致天线辐射效率的降低。
方向图恶化:表面波在介质基片上下表面之间来回反射,可能产生杂散辐射,这些杂散辐射与正常辐射发生干涉,会引起方向图旁瓣的起伏,恶化天线辐射质量。
互耦增强:表面波还会增强阵列天线单元之间的耦合作用,导致输入阻抗漂移、辐射方向图失真等问题。
表面波控制
在距离较大(半波长或更大)的高介电常数材料中,尤其是在 E 平面上,表面波在互耦合中的贡献超过了近场效应。
材料选择:
低介电常数基片:采用低介电常数的基片材料可以减少表面波的产生。
光子晶体或电磁带隙材料:在天线金属表面上腐蚀周期性小洞或在介质基板中周期性排列金属、介质等材料,以破坏表面波的传播路径,形成对表面波的阻滞效果。
结构设计:
金属屏蔽层:在介质基板外围加金属腔或金属栅栏,改变平面天线的边界条件,截断表面波的横向传输。
多层结构:采用多层结构设计,通过调整各层材料的介电常数和厚度,以减少表面波的产生并提高天线的带宽。
表面阻抗调制:
通过调制天线表面的阻抗,可以产生沿传播方向有一定振幅和相位分布的行波,从而控制天线的辐射特性和方向性图。
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