光子晶体贴片天线

1、光子晶体贴片天线在军事方面应用光子晶体的概念图1.1 一维、二维、三维光子晶体示意图7图1.2 二维光子晶体波导典型的透射谱图光子晶体贴片天线微带天线是二十世纪七十年代出现的一种新型天线形式，是指在一个薄介质基片上，面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等方法做出一定形状的金属贴片，并利用同轴探针或微带线对贴片馈电的一种天线。将光子晶体巧妙地用在微带天线上，利用光子晶体的特异性能，可以极大地提高其性能。图1 利用光子晶体做天线的基底，能够将通常浮获在单一介质基底中的能量全部反射到自由空间，大幅度提高天线的辐射效率近年来出现的光子晶体贴片天线能较好地改善以高介电常数介质为基片材料的微带贴片天

2、线的性能。光子晶体贴片天线是指用运光子晶体材料的禁带特性而制作的天线，通过在贴片天线中人为地引入光子晶体结构，并利用光子晶体的禁带效应，抑制沿底板介质传播的表面波，增加天线藕合到空间的电磁波辐射功率。对表面波的抑制可以提高天线的效率，从而改善天线的性能。对于用光子晶体微带天线的雷达系统而一言，这相当于增强了雷达发射机功率，因而可提高雷达探测距离。高性能反射镜。频率落在光子带隙中的光子或电磁波不能在光子晶体中传播，因此选择没有吸收的介电材料制成的光子晶体可以反射从任何方向的入射光，反射率几乎为I00%。这与传统的金属反射镜完全不同。传统的金属反射镜在很大的频率范围内可以反射光，但在红外和光学波段

3、有较大的吸收。雷达、导弹、飞行器等的防护罩 传统的微波天线制备方法是将天线直接制备在介质基底上，这样就导致绝大部分大量的能量被天线基底所吸收，不仅效率很低，而且天线定向性不好，机动性、移动性和易携性差。而基于光子晶体的新型天线具有传统天线无法达到的独特性质，如提高天线方向性系数、增加天线带宽、消除表面波、减少天线系统尺寸等等，已越来越受到人们的重视。对电磁(光子)晶体天线的研究国外起步较早，并逐步走向实际应用。以美国为例，美国宇航局Glenn研究中心主要任务之一是通讯技术的研究与开发，该中心在用与未来太空探索的天线技术中提出小型天线将发挥重要的作用，其中就包括光子晶体天线。另外，光子晶体天线在

4、军事上将广泛地用在全球定位系统、先进雷达系统和单兵通信装备中，为作战提供有力的通讯保障。事实表明，基于光子晶体的新型天线有许多独特的性能，光子晶体天线在未来的通信等领域中将得到更大的发展。目前国内外已经开发出了多种光子晶体天线，为光子晶体天线的发展起到了重要的推动作用，也为光子晶体新型天线在众多领域中的应用，奠定了良好基础。本项目在光子晶体方面的最前沿的科研成果的基础上，研究基于光子晶体新型天线，研究的主要内容是利用光子晶体的全反射原理的光子晶体基底天线和利用光子晶体禁带结构特性的光子晶体覆层天线。这两类光子晶体天线不仅易与现有通信和雷达探测设备相结合，而且有完善的理论可循（参见图1和图2），

5、并且研制相对简单，可望在短期内得到推广，以便提高通讯性能。图2 层状光子晶体喇叭天线(a)和二微光子晶体天线(b)的能量辐射分布结合我军现役通信设备中某种型号的天线，依据该类天线的战术性能参数和所期望达到的天线性能指标，借助光子晶体理论和天线理论，设计出符合要求的光子晶体天线模型。并用Rsoft设计公司的光子带隙设计工具Band SOLVE 设计出光子带隙符合要求的光子晶体，之后，应用Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件HFSS（High Frequency Structure Simulator）软件进行数值模拟。经过反复修改设计，达到数值模拟结果与理论结果相符。根据所设计的光子晶体模型，

6、制备出所需的光子晶体天线样品。测出光子晶体天线的带隙结构和相关的其他性能参数；选择合适的微波馈线装置，将光子晶体天线装配到整个通信系统中；并通过实验，绘制出天线的辐射图，并测量或计算出天线的其他一些参数，将测量的数据与理论值进行比较，判断天线性能改善的程度，分析原因，并进一步进行优化设计，使天线的性能达到或者接近理论值；下一步就是将光子晶体天线装备到通信系统中，在实际应用中检验其性能，通过分析试运行中积累的数据，在进一步进行优化设计，最终将光子晶体天线推广使用。在光子晶体制作工艺上，己经能够容易地实现禁带处于微波和毫米波段(频率范围在1-500GHz)的光子(电磁)晶体的制造。可通过控制介质周

7、期结构的对称性、介质中的连通性和占空比、相对折射率比值来控制光子能带结构，从而制备出所需要的光子晶体。禁带处于这一频段的光子晶体在作为天线的材料方面具有极为广阔的运用前景。贴片与钻孔交叉排列光子晶体天线研究本文主要研究的钻孔贴片交叉型光子晶体，贴片天线的结构如图1所示,就是在天线的基底上钻出周期性排列的圆孔以及在天线正面周期排列的贴片组成光子晶体结构，基底的大小为360mm×360mm×8mm，圆孔的半径为16mm，圆孔与贴片中心间相距为35.2mm,，基底介质的相对介电常数为10,在介质层上方加入26 mm×16 mm的贴片天线，激励源采用Gaussian离散源

8、,它通过宽度为4.7 mm的微带馈线给贴片天线馈电. 去掉光子晶体后的普通贴片天线的结构如图2所示,其结构参数同图1.图1钻孔贴片交叉型光子晶体贴片天线 图2 普通贴片天线3.仿真结果及分析利用FDTD电磁仿真软件对以上两天线进行仿真分析，可以得到回波损耗（S11）和增益特性如图3与,图4所示.a) 钻孔贴片交叉型光子晶体贴片天线S11 b) 普通贴片天线S11图3天线回波损耗（S11）仿真结果对比从图3可以看出,增加光子晶体结构并通过仿真计算后，普通贴片天线最小回波损耗（S11）在频率3.01GHZ约为 -20dB,钻孔贴片交叉型光子晶体贴片天线最小回波损耗（S11）分别在频率2.84GHZ

9、和3.76GHZ处约为-30dB,其最小回波损耗（S11）比普通贴片天线减少了约-106dB, 光子晶体交叉排列的2种结构使天线最小回波损耗能够出现在2个电磁波的谐振点处,有效地扩展了频率使用范围.从图中也易知，PBG的加入也使得天线的带宽增加了，两者对比已列于表1中。当然，由图3也可以发现，PBG的加入，使得天线的谐振频率发生了偏移，主要原因是PBG的加入使得导波波长发生变化，而天线的尺寸保持不变，所以，谐振频率会产生部分偏移。对于电压驻波比，钻孔贴片交叉型光子晶体贴片天线达到了1.070,即靠近理想值1，而对于普通型贴片天线则为1.2004.a) 钻孔贴片交叉型光子晶体贴片天线增益（f=3

10、.76GHz） b) 钻孔贴片交叉型光子晶体贴片天线增益（f=2.84GHz） c) 普通贴片天线增益 图4天线增益性能仿真结果对比由图4天线的增益图容易看出,普通贴片天线的正向增益最大为-3dB,加入交叉型光子晶体后, 正向增益最大约为8dB,提高了11dB,说明光子晶体结构可以较大提高贴片天线的增益.由以上的仿真计算归纳出表一：回波损耗（S11）带宽（S11=-10dB）VSWR(电压驻波比)最大增益钻孔贴片交叉型光子晶体贴片天线-30dB(3.76 GHZ和2.84GHZ)2.28%1.07008 dB普通贴片天线-20db(3.01GHZ)1.92%1.2004-3dB表1 通过在贴片

11、天线中人为地引入光子晶体结构后，不难发现，其特性表现为较低的回波损耗和较大的天线增益, 从理论的角度分析其原因也是容易理解的：在贴片天线的基底介质上加入了光子晶体结构之后，就会形成电磁(光子)禁带，在禁带频率范围内的电磁波将受到束缚不能向任意方向传播，利用光子晶体的禁带效应，可抑制沿基底底板介质传播的表面波，由此,将减少天线基底对电磁波的吸收，增加电磁波向自由空间的反射能量，从而减少了天线的回波损耗、增加了增益,其物理图像由图5能得到更直观的说明.图5 利用光子晶体禁带效应抑制天线基底的表面波的物理图像为了进一步说明光子晶体禁带效应能抑制天线基底电磁表面波, 本文对钻孔贴片交叉型光子晶体贴片天线和普通贴片天线这两种天线绘制了基底表面的电场(Ez)分布图（如图6和图7所示），两图归一化到相同的最大值和最小值,其中Ez为垂直贴片方向的电场分量,显然,图7中的普通贴片天线表面波电场明显比图6的钻孔贴片交叉型光子晶体贴片天线表面波电场强得多，直观地说明了在贴片天线的基底中加入光子晶体结构后, 能有效抑制天线基底电磁表面波。4.结论通过仿真分析，发现在禁带范围内, 光子晶体异质的结构使天线最小回波损耗分别出现在2个电磁波的谐振频率处,有效地扩