二维电磁晶体接地面的禁带测量及其在微带贴片天线上的应用.doc

二维电磁晶体接地面的禁带测量及其在微带贴片天线上的应用宁曰民（中国电子科技集团公司第四十一研究所，电子测试技术国家重点实验室 青岛 266555）摘要：本文给出了一种二维电磁晶体接地面禁带的简洁测量方法，并分析了这种结构对微带贴片天线性能的改善作用，这种微带贴片天线被置于具有二维电磁晶体接地面的介质基片上，此结构能够有效地阻止表面波的传输。我们利用Ansoft 公司的高频电磁场仿真软件HFSS研究了该电磁晶体材料的阻带位置和阻带带宽，以及这种电磁晶体微带天线的输入反射损耗和方向图等重要参数，并与普通微带贴片天线进行了比较，结果表明，电磁晶体结构增大了微带天线的工作带宽，提高了前向辐射的增益，因而大大提高了天线的效率。关键词： 贴片天线；电磁晶体； 表面波； 带宽； 增益1 引言天线研究历来是电磁场与微波技术专业的一大研究方向。随着我国移动通信、卫星通信和航空航天技术的发展，对天线的各项性能指标的要求也越来越高。在不同类型的天线中，微带天线由于其成本低、体积小、剖面薄以及能和集成电路兼容等优点，越来越受到人们的青睐。但是，其频带窄、增益低以及存在表面波等缺点，却严重阻碍了微带天线的发展和应用。因此，增加其带宽、提高其增益以及消除表面波便成为了微带天线的一项重点研究课题。所谓电磁晶体，又称光子带隙材料(Photonic Band-Gap)或称PBG材料，是指介质或金属的一种人工周期性结构，在光波波段，由于光子在该晶体内部传输的特性类似于电子在半导体晶体中的运动特性，故又称为光子晶体。电磁晶体在其频率响应范围内具有传输频带和截止频带，根据电磁晶体对电磁波传播产生的积极或消极影响，表现出不同的通带和阻带，当某些频带在各个方向上都表现出截止的传输特性时，就称为“频率禁带”，简称为禁带1，禁带的出现使得电磁波在电磁晶体中的传播表现出明显的选择性，这一特性使得电磁晶体在光电、微波工程等领域得到广泛的应用。在天线领域，电磁晶体结构被应用于多种新型天线，如偶极子天线、谐振天线和微带天线等，其中由于电磁晶体微带贴片天线可以做得很薄，不会影响宇宙飞船、火箭和卫星等的空气动力学性能，加之其散射截面很小、容易做成共形天线等优点，因此，在航空航天和多种通信领域正在得到越来越多的应用。对于普通的微带贴片天线，由于天线辐射片周围存在表面波，使得天线效率降低，并会导致电磁波的多径传输，所以，可以通过在普通接地面上蚀刻出周期性结构，把原来的接地面替换为阻带中包含天线的谐振频率的接地面，使表面波不能在此结构中传播，事实证明，这种电磁晶体接地面的引入，不但可以消除表面波，还可以有效地减小天线的尺寸，增大工作带宽，从而使得天线的辐射性能得以改善。本文研究了这种基于电磁晶体接地面的新型微带贴片天线，并与普通的微带贴片天线进行了比较，证明了电磁晶体接地面可以有效地展宽天线的工作频带，改善天线的方向性。2 电磁晶体接地面的禁带测量方法 我们可以利用HFSS，通过计算放置于介质基片上微带线的传输系数(S21)来研究电磁晶体接地面的禁带特性。由于微带线中的场绝大部分被限制在微带线和接地面之间，因此，这是一种非常简便的检测电磁晶体材料的周期特性和阻带特性的方法。图1给出了这种测量方法的结构俯视图。其中，图1-(a)表示微带线横向放置在具有普通接地面的介质基片上；图1-(b)表示微带线横向放置在具有二维电磁晶体接地面的介质基片上；图1-(c)表示微带线纵向放置在具有二维电磁晶体接地面的介质基片上。其中，微带线的宽度为2.2mm，聚四氟乙烯介质基片的厚度为2mm，相对介电常数为10.2。 1-（a） 1-（b） 1-（c） 图1 电磁晶体接地面禁带特性的测量示意图电磁晶体接地面的禁带频率范围可以通过测量S21来得到2，图2给出了放置在具有普通接地面的介质基片上的微带线的S21图和放置在具有二维电磁晶体接地面的介质基片上的微带线的S21图（其中，横坐标单位为GHz，纵坐标单位为dB,下同），可以看出，二维电磁晶体具有一个约从3GHz到4GHz的频率禁带，此禁带的产生源于接地面中设置了周期性的排列结构。对于一个无限大的二维结构，此电磁晶体的设计禁带中心频率为3.7GHz，但是，仿真结果显示，由于微带线结构和接地面尺寸的有限性，导致了禁带频率的略微降低。禁带的带宽和频率位置取决于微带线的放置放向3，由图2可知，对于不同的放置放向，微带线测量结果显示出不同的禁带，禁带的宽度和深度也有所不同。在图2中，普通实线代表横向放置的微带线的S21图，锯齿状线代表纵向放置的微带线的S21图，图中最上端的点状线代表作对比用的横向放置的普通微带线的S21图。从图中可以明显看出，横向放置的微带线的禁带是从2.9GHz到4.1GHz，纵向放置的微带线的禁带从3GHz到3.8GHz，两者的位置、宽度和深度都有所不同。由引言部分可知，为了降低表面波的传输，提高天线的效率，就必须使微带贴片天线的谐振频率位于电磁晶体接地面的禁带内。 图2 放置在具有不同接地面上微带线的S21 图3 普通微带贴片天线S11图 3 电磁晶体微带贴片天线的设计在笛卡尔坐标系中，作为对比用的普通微带天线辐射片的设计尺寸为x方向与y方向均是12mm，聚四氟乙烯介质基片的厚度为2mm，相对介电常数为10.2，馈电微带线宽度为2.2mm,接地面为100mm100mm的正方形。作为对比，电磁晶体微带天线的辐射片和接地面仍分别是边长为12mm和100mm的正方形，介质基片参数不变，接地面蚀刻圆孔的半径是6mm，晶格尺寸为16mm,设计阻带中心频率是3.7GHz。天线的反射损耗参数S11可以通过惠普的矢量网络分析仪来测定。对于普通微带天线，通过网络分析仪的测量得到的S11图形和通过Ansoft公司的高频电磁场仿真软件HFSS计算得到的S11图形分别共同绘制于图3中，可以看出，理论计算和实际测量的结果非常接近。4 电磁晶体接地面对微带天线性能的改善把原来普通微带天线的接地面用电磁晶体接地面代换以后，天线在工作频率的带宽得到了明显的改善4，由图4可见，-10dB带宽约为50MHz，反射损耗的最大值也由5dB增大到22.5dB，同时，我们还可看出，由于电磁晶体结构的引入，使得天线的工作频率有所增加，由原来的3 GHz增大到3.5 GHz。 图4电磁晶体微带贴片天线的S11 图5 普通天线和电磁晶体天线的方向图对比图5 给出了普通微带天线与电磁晶体微带天线的二维辐射方向图的对比，由图可以看出，电磁晶体微带天线的前向辐射比普通天线有了明显的改善，但在同时，后向辐射也有所增大5，这是由于接地面的腐蚀造成了电磁波的部分泄露，这可以通过适当选择蚀刻圆孔的大小，使得后向辐射进一步减小。5 结论本文给出了一种二维电磁晶体接地面禁带的简洁测量方法。理论分析和实际测量表明，这种接地面电磁晶体的引入可以使得天线沿表面波传播方向的电磁场由于其频率正好落于电磁晶体的禁带内，从而有效地抑制了表面波，增加了天线的带宽，提高了天线的效率。参考文献： 1 J.D.Joannopoulos, R.D.Meade, and J.N.Winn, Photonic crystals: molding the flow of lightM. Princeton, N.J. Princeton University Press, 1995.2 K.M.Ho, C.T.Chan, and C.M.Soukoulis, “Existence of a Photonic Gap in Periodic Dielectric Structure”, Physical Review LettersJ, 1990, vol.65, pp.3152-3155.3 J.Yonekura, M.Ikeda, and T.Baba, “Analysis of finite 2-D photonic crystals of columns and light wave devices using the scattering matrix method”, Journal of Light wave TechnologyJ, 1999, vol.17, pp.1500-1508.4 J.B.Pendry and A.Mackinnon, “Calculation of Photon Dispersion-Relation”, Physical Review LettersJ, 1992, vol.69, pp.2772-2775. 5 A.Mekis, J.C.Ch