采用EBG地的低剖面微帶定向天線設(shè)計(jì).docx

1、采用EBG地的低剖面微帶定向天線設(shè)計(jì)許健，陳星(四川大學(xué)電子信息學(xué)院，四川成都610064)摘要：對(duì)具有金屬地的微帶定向天線，低剖面設(shè)計(jì)面臨著工作頻帶蜜的曜題。采用殺慕形EBG姑構(gòu)代替微帶定向天線的常規(guī)金屬地，利用EBG地對(duì)特定頻率電磴波的同相反射特性，在保特天線工作頻帶條件下，蝙戒天線微帶墓板的厚度實(shí)現(xiàn)低割而設(shè)計(jì)。以一只工作頻點(diǎn)為5.8GHz的2x2微帶陣列天線為例，該陣列天線的轄射單元采用分形姑構(gòu)以進(jìn)一步提升天經(jīng)帶寬。仿真計(jì)算和實(shí)際刪試表明：但微帶陣列天線在采用低制而設(shè)計(jì)后，微帶基板厚度由原10mm降至0.25mm,而天線的定向轄射方向圖、增益和工作帶寬基本保持不變。關(guān)鍵訶：EBG;分形結(jié)

2、構(gòu)；微帶天線；低制面設(shè)計(jì)中圖分類號(hào)：TN827-34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1004-373X(2014)09-0058-04DesignoflowprofilemicrostripdirectionalantennausingEBGgroundplaneXUJian,CHENXing(SchoolofElectronicsandInformation.SichuanUniversity,Chengdu610064,China)Abstract:Thelowprofiledesignofmicrostripdirectionalantennawithmetalgroundisfacingthe

3、challengeofnarrowworkingfrequencyband.Inthispaper,mushroom-likeelectromagneticband-gap(EBG)structureisusedtoreplacetheconventionalmetalgroundinmicrostripdirectionalantenna.EBGgroundcouldperformsamephasereflectionwhenitrespondstospecificfrequencyelectromagneticwaves.Therefore,alowprofiledesignachieve

4、dbyemployingtheEBGgroundandreducingthethicknessoftheantenna'smicro-bandbaseplatewhilemaintainingtheworkingfrequencyband.A2x2microstriparrayantennawithworkingfrequencypointof5.8GHzistakenasanexampleinthispaper.Thefracturalstructureisusedforradiativeunitofthisarrayantennatofurtherwidenitsbandwidth

5、.Bothsimulatingcalculationandthetestresultsshowthat,withthelowprofiledesignforthemicrostriparrayantenna,thethicknessofthemicrostripbaseplatecanbereducedfrom1.0mmto0.25mmwhilethedirectionalradiationpattern,gainandworkingbandwidthalmostkeeptheoriginalstate.Keywords：electromagneticband-gap;fractalstruc

6、ture;microstripantenna;lowprofiledesign。引言隨著國防航天等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，低剖面天線憑著體積小，重量輕等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效降低相應(yīng)成本,故得到了越來越多的重視。傳統(tǒng)微帶天線雖然擁有諸多優(yōu)勢(shì)，但也存在著頻帶窄、難以降低剖面等缺點(diǎn)。為了增加微帶天線的頻帶，常用的方法有采用厚基板，采用介電常數(shù)較小的基板，附加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，采用多層結(jié)構(gòu)，在貼片或接地板“開窗”等。光子晶體是指具有一定光子帶隙的一種人造周期性電介質(zhì)結(jié)構(gòu)。其研究范圍涉及到光學(xué)、電磁學(xué)、聲學(xué)波段等，在微波和毫米波領(lǐng)域通常稱其為電磁帶隙結(jié)構(gòu)。近年來，隨著國內(nèi)外的不斷研究發(fā)現(xiàn)EBG結(jié)構(gòu)也成為微波領(lǐng)域的一個(gè)新的

7、研究方向。例如在微波電路里可以用EBG結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)帶阻濾波器乳諧振器，可以抑制諧波吐提高放大效率物等；在天線方面可以用來實(shí)現(xiàn)拋物面天線反射面也可以加載于微帶天線用于抑制表面波進(jìn)而改善天線方向圖等。20世紀(jì)90年代，美國學(xué)者Sievenpiper又提出了一種新型的EBG（ElectromagneticBand-Gap）W菇型結(jié)構(gòu)，由于其對(duì)于某一頻段內(nèi)的表面波具有高阻特性，又稱為高阻抗表面。這種結(jié)構(gòu)擁有兩種特性，一是對(duì)在其表面上傳播的表面波（頻率位于其阻帶之內(nèi)）具有一定抑制作用，或者說它不支持某一頻段的表面波的傳播；二是對(duì)于垂直其表面入射的平面波（頻率同樣需位于其阻帶之內(nèi)）具有同相位反射的效果，即在

8、其表面上，反射波與入射波的相位基本沒有發(fā)生變化.而金屬表面會(huì)使反射波產(chǎn)生180。的相位變化，這些特性對(duì)于微波領(lǐng)域的發(fā)展有著非常重要的意義。本文在以EBG結(jié)構(gòu)作為背板的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款收稿日«：2014-02-20微帶定向分形天線，有效降低了天線的整體剖面。圖2設(shè)計(jì)的EB(；姑構(gòu)零反射相位帶2微帶分形天線的設(shè)計(jì)1EBG結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)作為本文研究的埴礎(chǔ)，對(duì)例菇型EBG結(jié)構(gòu)按等效電路模型進(jìn)行初始化設(shè)計(jì).再應(yīng)用基于時(shí)域有限差分方法的商業(yè)仿點(diǎn)軟件進(jìn)行駛證。假設(shè)腭菇型EB(；結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：貼片的單元邊長為叭單元周期為，單元間的縫隙為g,金疽過孔的打徑為匕基板材料的厚度為，.介電常數(shù)為§

9、;,EBG結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(a)所示?？梢詫BG結(jié)構(gòu)中的一個(gè)單元看成一個(gè)等效諧振電路，如圖1(b)所示，應(yīng)用其變函數(shù)中保角變換的原理求解等效模型中的電容以及電感值.單元等效LC參數(shù)由式(1),(2)給出同：gog,u>h./shCrr(w'+g)/4,TT(sh(irg4f)C=-ot-ch'(a/g)TT(1)L=a°t*lr(、+%二直)+1.301825(2)式中：w,k參數(shù)一般取3左右。_IJ/.2.1采用普通金屬地作為背板的微帶分形大線設(shè)計(jì)“分形”這一概念由法國數(shù)學(xué)家B.Mandelbrot于1975年首次提出，分形兒何就是研究無限復(fù)雜而具有特定意義

10、下的自相似圖形和結(jié)構(gòu)的兒何學(xué)氣近年來.分形技術(shù)在天線中的應(yīng)用越來越廣泛.如增加天線的工作帶寬“啊、減小天線尺寸叫等。本文中分形結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也適當(dāng)減小了微帶天線的尺寸。所設(shè)計(jì)的微帶天線如圖3所示.由于單個(gè)單元的微帶貼片天線面積太小,不便于添加背板.故設(shè)計(jì)了一個(gè)2x2單元的微帶貼片分形天線。分形比«=£/=4.625,該天線厚度/»=1mm.貼片寬度/,=14.1mm,貼片間距d-18.6mm.饋線寬度W=2.65mm0背面為金足地.工作的中心頻率為5.8GHzo經(jīng)過優(yōu)化后的天線S“和方向圖如圖4所示.此時(shí)天線的增益為11.5dBi,帶寬約為50M左右。(b)井聯(lián)LC結(jié)

11、梅圖IEBG磨糖型詁構(gòu)示券圖實(shí)際應(yīng)用中還需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).特別是對(duì)于低頻或者窄帶應(yīng)用。綜合理論與實(shí)際應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一個(gè)工作在5.8GHz的豚姑型EB(；結(jié)構(gòu).選擇介質(zhì)基板的介電常數(shù)&,=2.65.基板叩度，=0.5mm,方形周期單.元貼片邊長”，=13.7mm,單元之間的縫隙g=0.4mm,過孔半徑r=1.7mm.構(gòu)成了潸菇型EBG結(jié)構(gòu),對(duì)設(shè)計(jì)出的EBG結(jié)構(gòu)通過波導(dǎo)法進(jìn)行仿真計(jì)算.其結(jié)果如圖2所示。與其他大多數(shù)文點(diǎn)一致，本文中也定義反射相位在±90。之間的帶隙為反射相位帶隙，由圖2可見,在5.6-6GHz頻率范圍內(nèi)，有明顯的零相位反射特性。根據(jù)仿真結(jié)果以及天線的匚作頻率，這里設(shè)

12、計(jì)的EBG膳菇型結(jié)構(gòu)可以滿足設(shè)計(jì)要求。圖3微帝分形夭技詁構(gòu)圖2.2采用EBG蘑菇型結(jié)構(gòu)作為背板的微帶分形天線設(shè)計(jì)在保持天線其他參數(shù)不變的情況F.將前文設(shè)計(jì)的0.5mm9的EBG結(jié)構(gòu)作為該天線的背板.同時(shí)將天線介質(zhì)板的早度由1mm降低到0.25mm.并取消原天線的金屬地JHEBG背板代替緊貼于微帶天線之后使用頂饋的方式饋電，仿權(quán)的結(jié)果如圖5所示.此時(shí)天線的增益為10.8dBi,帶寬約為1()()M左右。圖4未加EBG背板的天殘方向圖迎S“曰圖5附加EBG背板的天成方向圖和S“3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證根據(jù)仿真結(jié)果.加工了實(shí)際的天線并進(jìn)行測(cè)量，以驗(yàn)證仿真結(jié)論。圖6分別為天線以及EBG背板的實(shí)物結(jié)構(gòu)。圖6微帶分形大

13、線陣列與EBG背板實(shí)物圖利用微波暗室對(duì)分形天線陣列和其附加EBG結(jié)構(gòu)的輻射方向圖進(jìn)行了實(shí)際的測(cè)址.測(cè)試頻率為5.8GHz.并通過網(wǎng)絡(luò)矢ht分析儀對(duì)天線及其EBG結(jié)構(gòu)進(jìn)行了&的測(cè)址.其測(cè)試結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯鲈诮档土颂炀€整體剖面的基礎(chǔ)上.方向圖的測(cè)試結(jié)果與仿套結(jié)果較一致.&稍稍有些偏移。4EBGS菇型背板微帶分形天線的輻射特性分析從表面阻抗的角度來分析.表面阻抗的表達(dá)式應(yīng)為:Z.=EJH,電磁波入射到EBG結(jié)構(gòu)的表面.必定會(huì)產(chǎn)生反射波.所以空間波實(shí)際上是二者的疊加。當(dāng)使用普通金屬地時(shí)，此時(shí)的表面阻抗為Z.=(l+”/(阮),由于一般情況下5的數(shù)址級(jí)在10".而“的數(shù)

14、般級(jí)在10'°左右，所以Z.的幅度應(yīng)在10"4左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于自由空間的阻抗7/(377Q).所以金廈表面的入射波與反射波的相位差了180。圖7測(cè)試與仿真詁果對(duì)比對(duì)EBG結(jié)構(gòu)來說，在入射波的頻率接近單個(gè)單元的諧振頻率時(shí),等效電路的阻抗會(huì)急劇升高,遠(yuǎn)大于自由空間中的阻抗，故在其表面上入射波與反射波的相位差接近0。當(dāng)入射波的頻率分別向高端與低端遠(yuǎn)離諧振頻率時(shí)，Z.的幅度會(huì)逐步接近自由空間阻抗，當(dāng)Z.的幅度達(dá)到自由空間阻抗時(shí)，則此時(shí)的相位差皿為”/2或-竹/2。由于本文設(shè)計(jì)的EBG結(jié)構(gòu)的諧振頻率在5.8GHz左右，與微帶分形天線的工作頻率相當(dāng)，所以在該段頻帶內(nèi)EBG結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)

15、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，所以需要經(jīng)過一定的優(yōu)化，得到如圖7所示的較優(yōu)結(jié)果。通過兩種天線的仿真結(jié)果對(duì)比可以看出，使用EBG結(jié)構(gòu)作為背板時(shí)增益比原天線略有降低，但帶寬略有增加。5結(jié)語本文將EBG高阻表面結(jié)構(gòu)應(yīng)用于微帶分形天線陣列，從仿真結(jié)果可以看出，將EBG結(jié)構(gòu)應(yīng)用于微帶分形天線陣列可以在維持原有性能基本不變的基礎(chǔ)上，有效降低天線的整體剖面。并對(duì)加工的實(shí)物天線進(jìn)行了方向圖和S的測(cè)量，從而驗(yàn)證了EBG結(jié)構(gòu)用于微帶分形天線可以有效降低天線整體剖面這一結(jié)論。參考文獻(xiàn)1J鄭秋容，袁乃呂，付云起.緊湊型電磁帶隙結(jié)構(gòu)在短路微帶天線中的應(yīng)用J).電子與信息學(xué)報(bào),2007,29(7)

16、:1500-1502.2 RADISICV,QIANY.COCCIOLIR,etal.Novel2-DphotonicbandgapstructureformicrostriplinesJ.MicrowaveandGuidedWaveLetters,IEEE,1998,8(2):69-71.3 YUNTY,CHANGK.Uniplanarone-dimensionalphotonic-bandgapstructuresandresonatorsJ.IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,2001,49(3):549-553.4 HORIIY

17、,TSUTSUMIM.HarmoniccontrolbyphotonicbandgaponmicrostrippatchantennaJ).IEEEMicrowaveandGuidedWaveLetters,1999,9(1)：13-15.5 RADISICV,QIANY,ITOHT.Broad-bandpoweramplifierusingdielectricphotonicbandgapstructureJ,IEEEMicrowaveandGuidedWaveLetters.1998,8(1)：13-14.6 THEVENOTM,CHEYPEC,REINEIXA,eta).Directiv

18、ephotonic-bandgapantennas(J).IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,1999,47(11)：2115-2122.7 COLBURNJS,RAHMAT-SAMIIY.Patchantennasonexternallyperforatedhighdielectricconstantsubstrates(JJ.IEEETransactionsonAntennasandPropagation,1999,47(12):1785-1794.8 梁昌洪.EBG高阻表面的準(zhǔn)靜態(tài)等效煤質(zhì)模型D.西安：西安電子科技大學(xué),2004.9 錢四林，施建超，黃華.分形理論在天線技術(shù)中的應(yīng)用J.山東通信技術(shù),2007.27(2):33-37.10 占臘民，董天臨分形天線的特征與應(yīng)用JJ.無線電通信技術(shù)，2003.29(1):59-61.】徐良，吳振森，汪文來.分形陣列天線研究J.西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),1996,23(4):89-91.12向敦豹.人T.磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用研究D).長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2006.作者簡(jiǎn)介：許健，男，碩士研究生。主要研霓領(lǐng)域?yàn)樘旖?jīng)設(shè)計(jì)