電磁帶隙結(jié)構(gòu)加載的微帶天線仿真設(shè)計(jì)

孫斌++熊海亮

摘 要本文研究一種電磁帶隙結(jié)構(gòu)微帶天線。分析電磁帶隙結(jié)構(gòu)的帶隙特性，設(shè)計(jì)一個(gè)電磁帶隙結(jié)構(gòu)加載的微帶天線，并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果表明，將EBG 結(jié)構(gòu)置于微帶天線陣的底部作為微帶天線陣列的金屬反射板，有效地抑制天線表面波的傳播，降低微帶貼片天線后瓣，提高天線增益。

【關(guān)鍵詞】電磁帶隙 微帶天線 后瓣

1 引言

隨著光子晶體概念在電磁領(lǐng)域的發(fā)展，電磁帶隙EBG（ ElectromagneticBandGap） 結(jié)構(gòu)的特性研究在國(guó)內(nèi)外得到廣泛的關(guān)注近年來，電磁帶隙結(jié)構(gòu)在微波電路和微帶天線方面得到越來越多的應(yīng)用。電磁帶隙結(jié)構(gòu)微帶貼片天線利用EBG 結(jié)構(gòu)的禁帶特性抑制表面波，增加天線輻射到空的電磁波能量，從而改善天線的輻射性能。資料顯示，目前關(guān)于電磁帶隙微帶天線的研究有介質(zhì)基板鉆孔型、接地面腐蝕型、高阻抗表面型、緊湊結(jié)構(gòu)型、夾層結(jié)構(gòu)型等，都在一定程度上改善了天線的性能。本文研究電磁帶隙結(jié)構(gòu)應(yīng)用于微帶貼片天線代替反射板， 它能很好地抑制表面波效應(yīng)，從而降低天線背向輻射，提高天線增益。通過數(shù)值仿真可見其良好的效果。

2 天線仿真設(shè)計(jì)

2.1 電磁帶隙結(jié)構(gòu)

電磁帶隙結(jié)構(gòu)是指對(duì)特定頻段內(nèi)的電磁波產(chǎn)生阻帶特性的一種周期結(jié)構(gòu)。理論上，在這種結(jié)構(gòu)中電磁波不能傳播，而當(dāng)電磁波照射到這種結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)被全部反射，但反射波與入射波相位相同，不會(huì)產(chǎn)生互相抵消的現(xiàn)象。因此將這種結(jié)構(gòu)用于微帶天線時(shí)，天線的輻射性能可以得到改善。

本文采用的EBG 結(jié)構(gòu)為Sievenpiper 提出的Mushroom 結(jié)構(gòu)，它是由一組金屬貼片在介質(zhì)基板上排列得到的，金屬貼片通過每個(gè)貼片中心的垂直導(dǎo)電孔與介質(zhì)基板下面的金屬板地面相連，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

這種結(jié)構(gòu)可由并聯(lián)LC 等效電路模型等效，由估算的等效電容和電感可得到EBG 結(jié)構(gòu)的諧振頻率，單元等效參數(shù)為：

其諧振頻率。式中p 為貼片單元周期長(zhǎng)度，w為方形貼片單元長(zhǎng)度，w為貼片單元間隔，t 為介質(zhì)板厚度，為介質(zhì)板相對(duì)介電常數(shù)，μ為等效介電常數(shù)。

本文設(shè)計(jì)的微帶天線頻率為1.8GHz，通過計(jì)算和優(yōu)化仿真，最終得到EBG結(jié)構(gòu)參數(shù)：采用基板相對(duì)介電常數(shù)為Er=6，厚度t=2mm，貼片單元周期p=31mm，貼片單元長(zhǎng)度為w=30mm，過孔直徑為0.5mm。

2.2 加載EBG結(jié)構(gòu)的微帶天線

加載EBG結(jié)構(gòu)的微帶天線陣如圖2所示。加載EBG 結(jié)構(gòu)的微帶天線陣包含兩個(gè)部分，上層天線介質(zhì)基片未矩形微帶貼片天線，微帶天線陣為2x2陣列，采用介質(zhì)板厚度為2mm，相對(duì)介電常數(shù)為6，4個(gè)微帶貼片天線采用側(cè)饋形式通過功分器合成輸出，合成輸出端采用同軸饋電形式（背饋）。下部分為EBG結(jié)構(gòu)，位于底部作為天線陣反射板，同時(shí)底部開孔便于背饋同軸連接器連接。

通過仿真優(yōu)化計(jì)算，得到加載EBG結(jié)構(gòu)的微帶天線陣方向圖，結(jié)果如圖3所示。

通過與普通天線陣對(duì)比發(fā)現(xiàn)，加載EBG 結(jié)構(gòu)后，主要對(duì)E 面的旁瓣和后瓣抑制效果非常明顯，E 面方向圖旁瓣及后瓣減小4dB，同時(shí)天線陣前向增益增加0.5dB。仿真顯示加載EBG 結(jié)構(gòu)能有效抑制天線陣的表面波，降低天線旁瓣及后瓣，提高天線陣的增益。

3 結(jié)論

本文研究了EBG 加載方式對(duì)微帶天線陣性能的影響。仿真計(jì)算表明所設(shè)計(jì)微帶天線陣由EBG 結(jié)構(gòu)作為天線的金屬反射板，降低天線背向輻射，提高天線增益，有效地提高了微帶天線陣的性能。下一步需要進(jìn)行實(shí)物的驗(yàn)證測(cè)試，從而證實(shí)其實(shí)際效果。

參考文獻(xiàn)

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作者單位

武漢濱湖電子有限責(zé)任公司 湖北省武漢市 430205