基于高阻表面微波光子晶體的微帶天線設(shè)計

吳 浩，王靈敏，田小建，單江東

（吉林大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，長春 130012）

微波光子晶體結(jié)構(gòu)是一種人造的具有頻率帶隙的周期介電材料.目前對光子晶體結(jié)構(gòu)在微波與毫米波領(lǐng)域的應(yīng)用研究已取得很多成果，如采用光子晶體結(jié)構(gòu)的微帶型帶阻濾波器和諧振器可有效抑制諧波，提高放大器效率；將拋物面天線反射面加載于微帶天線可抑制表面波，從而改善天線的方向圖等.

微帶貼片天線具有體積小、重量輕、低剖面、成本低和易加工等優(yōu)點，有廣闊的應(yīng)用前景.光子晶體結(jié)構(gòu)在特定的頻率范圍內(nèi)具有傳輸頻帶和介質(zhì)頻帶.本文將微波光子晶體結(jié)構(gòu)的表面波帶隙特性應(yīng)用于微帶天線中，從而提高了天線性能［1－12］.

1 高阻表面結(jié)構(gòu)微帶天線的特性

1.1 理論分析 采用正方形單元為高阻表面單元形式.高阻表面的表面波帶隙設(shè)計可依據(jù)等效電路模型計算，其等效參數(shù)表達式為

其中：a為周期長度；w為正方形單元的邊長；g為單元間的縫隙寬度；t為基板厚度.由估算的等效電容及電感可得結(jié)構(gòu)的諧振頻率為

圖1 高阻表面的截圖Fig.1 Screenshots of high－impedance surface

由于式（1），（2）為估計公式，因此在應(yīng)用時還需使用數(shù)值方法進行分析和設(shè)計，以使天線的工作頻率位于高阻表面的表面波帶隙內(nèi)［2，13－16］.

1.2 方案設(shè)計 微波光子晶體高阻表面是在介質(zhì)板表面排列一組金屬突起物而形成的，它們通過二維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)排列，這些金屬小貼片與下面的導(dǎo)體利用垂直的金屬柱通過過孔連接.由于該結(jié)構(gòu)對在表面?zhèn)鞑サ谋砻娌ň哂幸种谱饔?，因此將天線鑲嵌在其中心可有效抑制天線表面波的傳播，利用光子晶體高阻表面結(jié)構(gòu)設(shè)計改善天線方向圖的截面圖如圖1所示［8］.

設(shè)計高阻表面的帶隙中心頻率約為11.75GHz，選取基板厚度為0.8mm，相對介電常數(shù)為4.4，過孔半徑為0.4mm.正方形單元貼片邊長為7mm，單元與單元間的寬度為0.3mm，過孔與過孔間的距離為7.3mm.設(shè)計的天線為微帶矩形貼片天線，天線尺寸為5.8mm×8.3mm，采用微帶線饋電，工作頻率為11.75GHz.微帶天線與高阻表面微帶天線的截圖如圖2所示.

圖2 微帶天線與高阻表面微帶天線截圖Fig.2 Screenshots of microstrip anternna and microstrip anternna with high－impedance surface

圖3 微帶天線與高阻表面微帶天線的S11參數(shù)Fig.3 S11parameters of microstrip anternna and microstrip anternna with high－impedance surface

1.3 仿真結(jié)果 通過仿真可得天線端口回波損耗曲線S11，如圖3所示（實線表示高阻表面微帶天線的S11參數(shù)，虛線表示微帶天線S11參數(shù)）.由圖3可見，加入光子晶體高阻表面的天線S11參數(shù)略有變化，天線的諧振頻率由11.75GHz向高偏移至11.79GHz，回 波 系 數(shù) 由 －28.73dB 降 為－43.40dB，匹配效果明顯變好.這是因為光子晶體高阻表面結(jié)構(gòu)的金屬貼片與天線間存在耦合所致.

由于加入光子晶體高阻表面天線的諧振點向高頻偏移，因此可選擇適當(dāng)?shù)闹C振點為基準(zhǔn)以比較方向圖的變化.若所取頻率點為11.77GHz，則光子晶體天線與微帶天線的三維增益圖如圖4所示.由圖4（A）可見，微帶天線在此頻率點上的最大增益約為4.76dB；由圖4（B）可見，應(yīng)用正方形單元結(jié)構(gòu)高阻表面的天線增益約為5.37dB，約提高了0.6dB，且其背瓣降低，平均降低為4～5dB，最大降低約為10dB.

圖4 三維增益圖Fig.4 3Dgain patterns

2 測試結(jié)果

2.1 反射損耗測試 通過熱轉(zhuǎn)印法與腐蝕制作光子晶體天線，其反射損耗曲線如圖5所示.由圖5可見，加入光子晶體高阻表面的天線S11參數(shù)略有變化，天線的諧振頻率由11.75GHz向高偏移至11.79GHz，回波系數(shù)由－24.73dB降為－36.40dB，匹配效果明顯變好.

2.2 增益測試 標(biāo)準(zhǔn)天線接收功率數(shù)據(jù)如圖6所示.其計算公式為

其中：GS為已知標(biāo)準(zhǔn)天線的增益，調(diào)節(jié)匹配器使電路匹配；P為接收標(biāo)準(zhǔn)天線功率計的讀數(shù)；PS為接收待測天線功率計的讀數(shù).

圖5 反射損耗曲線Fig.5 Reflection loss curves

圖6 標(biāo)準(zhǔn)天線接收功率數(shù)據(jù)Fig.6 Receive power data of standard antenna

由圖6可見，加入光子晶體高阻表面天線的諧振點向高頻偏移，因此可選擇適當(dāng)?shù)闹C振點為基準(zhǔn)以比較方向圖的變化，若所取頻率點為11.80GHz，則標(biāo)準(zhǔn)天線增益為13dB.表1和表2分別為高阻表面微帶天線和微帶天線接收功率數(shù)據(jù)，根據(jù)式（4）計算可得微帶天線在0°增益為3.34dB，高阻表面微帶天線在0°增益為4.90dB，提高了1.56dB，且其背瓣降低，從而驗證了仿真結(jié)果正確.

表1 高阻表面微帶天線接收功率（W）Table 1 Receive power data of microstrip anternna with high－impedance surface（W）

表2 微帶天線接收功率（W）Table 2 Receive power data of microstrip antenna（W）

綜上，本文利用高頻結(jié)構(gòu)仿真（HFSS）軟件對所設(shè)計的光子晶體天線進行仿真計算，并通過實物測試驗證計算結(jié)果.實驗結(jié)果表明，采用光子晶體高阻表面的微帶貼片天線反射損耗曲線測試結(jié)果明顯變好，回波系數(shù)明顯下降，匹配效果變好.當(dāng)天線工作頻率在光子晶體高阻表面的表面波帶隙中時，由于表面波被抑制，天線的背瓣減小了4～10dB，而主瓣增益約提高了0.6dB，因此本文提出的高阻表面結(jié)構(gòu)可更好地抑制表面波的傳播，從而有效改善天線的方向圖.

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