采用ebg地的低剖面微带定向天线设计

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 采用 EBG 地的低剖面微带定向天线 设计 摘 要： 对具有金属地的微带定 向天线，低剖面设计面临着工作频带窄 的难题。采用蘑菇形 EBG 结构代替微 带定向天线的常规金属地，利用 EBG 地对特定频率电磁波的同相反射特性， 在保持天线工作频带条件下，缩减天线 微带基板的厚度，实现低剖面设计。以 一只工作频点为 5.8 GHz 的 22 微带阵 列天线为例，该阵列天线的辐射单元采 用分形结构以进一步提升天线带宽。仿 真计算和实际测试表明：该微带阵列天 线在采用低剖面设计后，微带基板厚度 由原 1.0 mm 降至 0.25 mm，而天线的 定向辐射方向图、增益和工作带宽基本 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 保持不变。 中国论文网 /8/view-12762670.htm 关键词： EBG； 分形结构； 微带天线； 低剖面设计 中图分类号： TN827?34 文献标 识码： A 文章编号： 1004?373X（ 2014）09?0058?04 0 引 言 随着国防航天等领域的不断发展， 低剖面天线凭着体积小，重量轻等优点， 能够有效降低相应成本，故得到了越来 越多的重视。传统微带天线虽然拥有诸 多优势，但也存在着频带窄、难以降低 剖面等缺点。为了增加微带天线的频带， 常用的方法有采用厚基板，采用介电常 数较小的基板，附加阻抗匹配网络，采 用多层结构，在贴片或接地板“开窗” 等。 光子晶体是指具有一定光子带隙 的一种人造周期性电介质结构1。其研 究范围涉及到光学、电磁学、声学波段 等，在微波和毫米波领域通常称其为电 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 磁带隙结构。近年来，随着国内外的不 断研究发现，EBG 结构也成为微波领域 的一个新的研究方向。例如在微波电路 里可以用 EBG 结构来实现带阻滤波器 2、谐振器3，可以抑制谐波 4，提 高放大效率5等；在天线方面可以用来 实现抛物面天线反射面6，可以加载于 微带天线用于抑制表面波7进而改善天 线方向图等。 20 世纪 90 年代，美国学者 Sievenpiper 又提出了一种新型的 EBG（Electromagnetic Band?Gap）蘑菇 型结构，由于其对于某一频段内的表面 波具有高阻特性，又称为高阻抗表面。 这种结构拥有两种特性，一是对在其表 面上传播的表面波（频率位于其阻带之 内）具有一定抑制作用，或者说它不支 持某一频段的表面波的传播；二是对于 垂直其表面入射的平面波（频率同样需 位于其阻带之内）具有同相位反射的效 果，即在其表面上，反射波与入射波的 相位基本没有发生变化，而金属表面会 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 使反射波产生 180的相位变化，这些特 性对于微波领域的发展有着非常重要的 意义。 本文在以 EBG 结构作为背板的 基础上，设计了一款微带定向分形天线， 有效降低了天线的整体剖面。 1 EBG 结构的设计 作为本文研究的基础，对蘑菇型 EBG 结构按等效电路模型进行初始化设 计，再应用基于时域有限差分方法的商 业仿真软件进行验证。假设蘑菇型 EBG 结构的结构参数为：贴片的单元边长为 w， 单元周期为 a，单元间的缝隙为 g，金属过孔的直径为 d， 基板材料 的厚度为t， 介电常数为 r，EBG 结 构示意图如图 1（a ）所示。 可以将 EBG 结构中的一个单元 看成一个等效谐振电路，如图 1（b）所 示，应用复变函数中保角变换的原理求 解等效模型中的电容以及电感值，单元 等效 LC 参数由式（1） ， （2）给出8： C=0wch-1（ag ）+0rwch- -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 1sh（w+g） ）4tsh（g4t） +0rw2t2wlna+a2-d2d （1） L=0t1lna+a2-d2d+1.301 825 （2） 式中：w=1-k2s2w2w ，k参数 一般取 3 左右。 图 1 EBG 蘑菇型结构示意图 实际应用中还需要进行优化设计， 特别是对于低频或者窄带应用。综合理 论与实际应用，设计了一个工作在 5.8 GHz 的蘑菇型 EBG 结构，选择介质基 板的介电常数r=2.65，基板厚度t= 0.5 mm，方形周期单元贴片边长w= 13.7 mm，单元之间的缝隙g=0.4 mm，过孔半径r=1.7 mm，构成了蘑菇 型 EBG 结构，对设计出的 EBG 结构通 过波导法进行仿真计算，其结果如图 2 所示。 与其他大多数文章一致，本文中 也定义反射相位在90之间的带隙为反 射相位带隙。由图 2 可见，在 5.66 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 GHz 频率范围内，有明显的零相位反射 特性。根据仿真结果以及天线的工作频 率，这里设计的 EBG 蘑菇型结构可以 满足设计要求。 图 2 设计的 EBG 结构零反射相 位带 2 微带分形天线的设计 2.1 采用普通金属地作为背板的 微带分形天线设计 “分形 ”这一概念由法国数学家 B.Mandelbrot 于 1975 年首次提出，分 形几何就是研究无限复杂而具有特定意 义下的自相似图形和结构的几何学9。 近年来，分形技术在天线中的应用越来 越广泛，如增加天线的工作带宽10、 减小天线尺寸11 等。本文中分形结构 的应用也适当减小了微带天线的尺寸。 所设计的微带天线如图 3 所示， 由于单个单元的微带贴片天线面积太小， 不便于添加背板，故设计了一个 22 单 元的微带贴片分形天线。分形比n=Ll= -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 4.625，该天线厚度h=1 mm，贴片宽度 L=14.1 mm，贴片间距 d=18.6 mm， 馈线宽度W=2.65 mm。背面为金属地， 工作的中心频率为 5.8 GHz。经过优化 后的天线S11和方向图如图 4 所示，此 时天线的增益为 11.5 dBi，带宽约为 50M 左右。 图 3 微带分形天线结构图 2.2 采用 EBG 蘑菇型结构作为背板的微 带分形天线设计 在保持天线其他参数不变的情况 下，将前文设计的 0.5 mm 厚的 EBG 结 构作为该天线的背板，同时将天线介质 板的厚度由 1 mm 降低到 0.25 mm，并 取消原天线的金属地，用 EBG 背板代 替，紧贴于微带天线之后使用顶馈的方 式馈电，仿真的结果如图 5 所示，此时 天线的增益为 10.8 dBi，带宽约为 100M 左右。 3 实验验证 根据仿真结果，加工了实际的天 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 线并进行测量，以验证仿真结论。图 6 分别为天线以及 EBG 背板的实物结构。 图 6 微带分形天线阵列与 EBG 背板实物图 利用微波暗室对分形天线阵列和 其附加 EBG 结构的辐射方向图进行了 实际的测量，测试频率为 5.8 GHz，并 通过网络矢量分析仪对天线及其 EBG 结构进行了S11的测量，其测试结果如 图 7 所示。可以看出在降低了天线整体 剖面的基础上，方向图的测试结果与仿 真结果较一致，S11稍稍有些偏移。 4 EBG 蘑菇型背板微带分形天线 的辐射特性分析 从表面阻抗的角度来分析，表面 阻抗的表达式应为： Zs=EzHy 电磁波入射到 EBG 结构的表面， 必定会产生反射波，所以空间波实际上 是二者的叠加。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 当使用普通金属地时，此时的表 面阻抗为Zs= （1+j） （ ） ， 由于一般 情况下的数量级在 10-6，而的数 量级在 1010 左右，所以Zs的幅度应在 10-4 左右，远远小于自由空间的阻抗 （377 ） ，所以金属表面的入射波与反 射波的相位差了 180。 对 EBG 结构来说，在入射波的 频率接近单个单元的谐振频率时，等效 电路的阻抗会急剧升高，远大于自由空 间中的阻抗，故在其表面上入射波与反 射波的相位差接近 0。当入射波的频率 分别向高端与低端远离谐振频率时， Zs的幅度会逐步接近自由空间阻抗， 当Zs的幅度达到自由空间阻抗时，则 此时的相位差12 为2或-2。由于 本文设计的 EBG 结构的谐振频率在 5.8 GHz 左右，与微带分形天线的工作频率 相当，所以在该段频带内 EBG 结构呈 现出零相位反射的特性，但由于表面的 入射波并不全是平面波，所以需要经过 一定的优化，得到如图 7 所示的较优结 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 果。通过两种天线的仿真结果对比可以 看出，使用 E