基于EBG結(jié)構(gòu)的電磁偶極子天線

本文分析了電磁偶極子的基本原理，并設(shè)計(jì)了60GHz電偶極子天線；通過(guò)在電磁偶極子天線周?chē)与姶艓督Y(jié)構(gòu)（EBG結(jié)構(gòu)），在較大的頻帶范圍內(nèi)，使得天線的反射系數(shù)和增益有了較為明顯的提高。

1. 引言

為了滿(mǎn)足人們對(duì)高速數(shù)據(jù)、圖像和多媒體等寬帶業(yè)務(wù)日益增長(zhǎng)的需求，寬帶接入技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注，ROF系統(tǒng)及其網(wǎng)絡(luò)在國(guó)內(nèi)外迅速發(fā)展，也促使無(wú)線系統(tǒng)提高射頻載頻頻率以獲得更高的帶寬。而目前ROF技術(shù)研究的頻率范圍主要是60GHz的毫米波頻段，60GHz的信號(hào)在空氣中衰減很厲害，因此，高增益和高效率的大帶寬天線技術(shù)成為60GHz毫米波通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

在上世紀(jì)七十年代，由一個(gè)電偶極子和一個(gè)縫隙天線構(gòu)成的若干互補(bǔ)天線被設(shè)計(jì)出來(lái)。在微帶貼片天線還沒(méi)有發(fā)展應(yīng)用之前，縫隙天線被用于實(shí)現(xiàn)磁偶極子。這些天線在輻射方向圖和帶寬上有優(yōu)異的表現(xiàn)。

電磁帶隙結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱(chēng)EBG（ElectromagneticBandgap）結(jié)構(gòu)，源于光子晶體結(jié)構(gòu)，可以認(rèn)為是光子晶體（Photonics crystal）概念在微波頻段的推廣。1987年， 來(lái)自美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的E.Yablonovitch和來(lái)自Princeton大學(xué)的S.John在討論如何抑制自發(fā)輻射和無(wú)序電介質(zhì)材料中的光子局域諧振時(shí)，各自獨(dú)立提出了光子晶體的概念[2]。光子晶體具有顯著的光子帶隙（Photonic Bandgap，PBG）特性，根據(jù) Maxwell方程組的尺縮關(guān)系，PBG結(jié)構(gòu)所具有的特性也適用于微波和毫米波領(lǐng)域。因此光子晶體結(jié)構(gòu)在微波和毫米波領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并最終開(kāi)始使用EBG這個(gè)術(shù)語(yǔ)。EBG概念的明確提出是在文獻(xiàn)[3]中，“概括地說(shuō)，電磁帯隙結(jié)構(gòu)是指人造的周期性結(jié)構(gòu)（有時(shí)也是非周期的），能夠阻止或者促進(jìn)特定頻域內(nèi)所有入射波和所有極化狀態(tài)的電磁波的傳播”。20世紀(jì)90年代末期，提出了兩種EBG結(jié)構(gòu)，一種是蘑菇型的EBG結(jié)構(gòu)，另一種為平面緊湊型電磁帶隙結(jié)構(gòu)電磁帶隙結(jié)構(gòu)具有兩個(gè)顯著的特性：一是阻止特定頻率內(nèi)電磁波的傳播，即表面波帶隙特性；二是對(duì)入射的平面電磁波具有隨頻率變化的反射相位，即反射相位特性。

電偶極子天線在整個(gè)工作帶寬有著良好的輻射圖形。然而，沿著天線輻射貼片產(chǎn)生的表面波會(huì)導(dǎo)致增益下降。一個(gè)備受歡迎的提高增益的辦法就是在天線周?chē)虞d電磁帶隙結(jié)構(gòu)。電介質(zhì)材料的內(nèi)在特性有助于提高天線增益。本文中，把EBG結(jié)構(gòu)加載在60 GHz的電磁偶極子天線周?chē)?，用于提高天線的增益。

2.電偶極子天線的設(shè)計(jì)

2.1電磁偶極子天線的基本原理

電磁偶極子天線單元的結(jié)構(gòu)如圖2所示，由兩個(gè)水平方向的金屬貼片形成電偶極子，兩個(gè)垂直方向的平行金屬貼片短接到系統(tǒng)接地平面從而實(shí)現(xiàn)四分之一波長(zhǎng)貼片天線，同時(shí)形成磁偶極子。通過(guò)將電偶極子和磁偶極子以特定的位置放置，可以便于控制兩個(gè)互補(bǔ)源的幅度和相位。我們知道，電偶極子的E面方向圖呈8型，H面方向圖呈0型，而磁偶極子的E面方向圖呈0型，H面方向圖呈8型。雖然他們?cè)诟髯缘膬蓚€(gè)極化面內(nèi)方向圖不一致，但是他們的方向圖形狀基本相同，具有良好的互補(bǔ)性，只是電場(chǎng)磁場(chǎng)互換了位置。因此，將電偶極子和磁偶極子相結(jié)合，使他們?cè)贓面和H面的方向圖相互補(bǔ)償，使天線在不同極化面內(nèi)的方向圖相一致，從而使天線具有較低的交叉極化和工作頻段內(nèi)穩(wěn)定的增益。

3基于EBG結(jié)構(gòu)的電偶極子天線設(shè)計(jì)

3.1 EBG結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

EBG的結(jié)構(gòu)示如圖1所示，使用Rogers RT/duriod 5880 介電常數(shù)εr = 2.2，厚度 h=787mm，損耗為tan= 0.02的介質(zhì)作為基片。EBG結(jié)構(gòu)可等效為L(zhǎng)C諧振電路，其中電感L由流經(jīng)金屬貼片的電流產(chǎn)生，而電容C由相鄰單元格之間的間隙相互作用產(chǎn)生。它們可以表示為

其中，為有效介電常數(shù)，f為諧振頻率，f=1/（2）。為了將EBG調(diào)整到想要的諧振頻率，EBG的尺寸調(diào)整為D=1.9mm，t=0.065mm，m=0.27mm，a=0.04mm ，la=1.3mm。

圖6展示了天線1，2和3的反射系數(shù)的比較?？梢杂^察到，天線1的反射系數(shù)作為天線3與50至70千兆赫的33%以上寬阻抗帶寬和天線2中的阻抗帶寬同樣是從50到68千兆赫降低到31%。所有這些情況下，可以覆蓋60GHz的頻段

天線的增益特性如圖7所示， 與天線1（無(wú)EBG）相比，除了新的共振頻率附近區(qū)域，天線2的增益更高。這主要是因?yàn)?，由?qiáng)耦合所產(chǎn)生的諧振頻率使得電流分布不能被集中在輻射貼片。因而，EBG結(jié)構(gòu)應(yīng)該與輻射貼片放的足夠遠(yuǎn)，以避免與天線的強(qiáng)耦合。正如天線3，平均增益是11 dBi的，它的增益在整個(gè)工作頻帶都比天線1高。最大增益是從7.7增強(qiáng)到11.7 dBi，并在最大輻射方向上得到的4 dB增益的提高。因而，可以通過(guò)在合適的距離圍繞天線輻射貼片放置EBG結(jié)構(gòu)，使得天線增益得到改善。

4.結(jié)論

本文設(shè)計(jì)提出了基于EBG結(jié)構(gòu)的60 GHz的電磁偶極子天線。在，增益11Dbi

處獲得了超過(guò)33%的阻抗帶寬（50-70 GHz）。揭示了在最大輻射方向，圍繞天線輻射貼片放置EBG結(jié)構(gòu)對(duì)天線增益有4 dB的提升。該天線在智能無(wú)線電過(guò)光纖系統(tǒng)有巨大的潛在應(yīng)用。

（作者單位：咸陽(yáng)師范學(xué)院）