電磁帶隙的超寬帶阻帶天線設(shè)計*

何楊炯， 張世全， 全祥錦， 曾 俊

(1.武警工程大學(xué) 研究生管理大隊，陜西 西安 710086；2.武警工程大學(xué) 理學(xué)院，陜西 西安 710086)

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電磁帶隙的超寬帶阻帶天線設(shè)計*

何楊炯1， 張世全2， 全祥錦1， 曾 俊2

(1.武警工程大學(xué) 研究生管理大隊，陜西 西安 710086；2.武警工程大學(xué) 理學(xué)院，陜西 西安 710086)

設(shè)計了一種電磁帶隙(EBG)結(jié)構(gòu)。根據(jù)實際應(yīng)用要求，在一種超寬帶微帶天線上加載電磁帶隙單元，設(shè)計出一種阻帶天線。對天線的多個參數(shù)進(jìn)行討論并優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)仿真實驗制作出天線實物。實驗結(jié)果說明：天線在3.11～5.97 GHz的頻帶范圍內(nèi)，電壓駐波比(VSWR)值大于2；在5.46 GHz處達(dá)到了9.23的峰值，阻帶范圍覆蓋WiMAX (3.4～3.7 GHz),C-band (3.7～4.2 GHz)，WLAN(5.15～5.35 GHz/5.725～5.825 GHz)這三個頻段，且天線增益在阻帶內(nèi)明顯降低。

電磁帶隙結(jié)構(gòu)； 超寬帶天線； 阻帶天線

0 引 言

在過去的近10年中，電磁帶隙(electromagnetic bandgap，EBG)結(jié)構(gòu)成為微波和毫米波領(lǐng)域中一個研究的熱點課題，它的帶隙形成機理和在電磁各個領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了廣泛的理論和實驗研究，證實了其在改善微波器件和天線性能方面具有明顯的作用[1～5]。自從2002年,美國聯(lián)邦通訊委員會(Federal Communications Commission，F(xiàn)CC)定義了3.1～10.6 GHz頻段的超寬帶(UWB)的民用頻段以來，天線作為UWB系統(tǒng)的重要組成部分，一直是廣大研究人員的關(guān)注重點[6,7]。但是，在UWB系統(tǒng)中， 也會同時存在一些窄帶系統(tǒng)，如WiMAX (3.4～3.7 GHz)，C-band(3.7～4.2 GHz)，WLAN (5.15～5.35 GHz/5.725～5.825 GHz)，且這些窄帶系統(tǒng)和UWB天線存在重合的工作頻段，因此容易造成互相干擾。為了解決這個問題，最簡單直接的方法是在UWB系統(tǒng)中添加濾波器，但是這種方法會增加系統(tǒng)制作成本。

本文主要通過利用EBG的頻率帶隙特性設(shè)計了一種UWB阻帶天線。通過在天線上加載了EBG單元，使天線在3.11～5.97 GHz的頻帶范圍內(nèi)，電壓駐波比(VSWR)值大于2，在5.46 GHz處達(dá)到了9.23的峰值，阻帶范圍覆蓋WiMAX(3.4～3.7 GHz),C-band(3.7～4.2 GHz),WLAN (5.15～5.35 GHz/5.725～5.825 GHz)這三個頻段，且天線增益在阻帶內(nèi)明顯降低。

1 EBG結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計一種新型的“十字蘑菇”型EBG結(jié)構(gòu)。在正方形的貼片上，圍繞中心蝕刻4個矩形槽，貼片中心為一個穿透介質(zhì)板的孔，并填充銅，使貼片和接地板連接起來。介質(zhì)基板選擇介電常數(shù)為εr=4.4的FR4材料，其厚度為h=1 mm。EBG結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，金屬柱的半徑為r=0.3 mm，正方形貼片的邊長為L=5.9 mm，蝕刻的矩形槽尺寸為L1×L2=2.2 mm×0.7 mm，微帶饋線的寬度為a，與貼片的距離為e。其等效電路圖如圖1(b)所示。

圖1 EBG結(jié)構(gòu)設(shè)計圖Fig 1 EBG structure design chart

為進(jìn)一步對EBG結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和為下一步的天線設(shè)計打下基礎(chǔ)，現(xiàn)選擇基于電磁場有限元法的三維電磁仿真軟件Ansoft HFSS對EBG結(jié)構(gòu)與微帶饋線間距e和微帶饋線的寬度a進(jìn)行分析。

圖2 EBG結(jié)構(gòu)與微帶饋線間距e對插入損耗值S21的影響Fig 2 Effect of space between EBG structure and microstripfeeder e on S21 values

由圖2可知，EBG結(jié)構(gòu)與微帶饋線間距越小，其禁帶效應(yīng)也越好。隨著e值的增大，S21曲線的最低值也上升，并且最低值也向更高的頻率偏移。

圖3 微帶饋線的寬度a對EBG結(jié)構(gòu)插入損耗值S21的影響Fig 3 Effect of width of microstrip feeder a on S21 values

由圖3可知，微帶饋線的寬窄對EBG的禁帶效應(yīng)所在的頻段的影響比微帶饋線與EBG間距的影響要遲緩，基本趨勢是隨著微帶饋線的變寬，S21值的最低點先向低頻再向高頻偏移，而對S21值最低值的大小影響不大。進(jìn)一步對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，保持“十字蘑菇”型EBG結(jié)構(gòu)的尺寸不變，確定EBG結(jié)構(gòu)與微帶饋線間距e=0.1 mm，微帶饋線的寬度a=1.8 mm。仿真得到的S21值如圖4所示。

圖4 EBG結(jié)構(gòu)插入損耗S21值Fig 4 S21 values of EBG structure

2 實驗結(jié)果分析

2.1 阻帶天線設(shè)計

根據(jù)所設(shè)計的EBG結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)行UWB天線設(shè)計，如圖5所示。天線基板材料選擇介電常數(shù)為4.4的FR4材料，厚度為h=1 mm，尺寸為L0×L0=40 mm×40 mm，接地板的高度w=20 mm，微帶饋線寬為a=1.8 mm，負(fù)載阻抗為50 Ω。輻射貼片的形狀是一個半圓的上方連接一個矩形，半圓的半徑為R=12 mm，矩形的長等于半圓的直徑，即2R=24 mm，寬d=6 mm。

圖5 設(shè)計的超寬帶天線Fig 5 Designed UWB antenna

經(jīng)過HFSS軟件仿真，得到天線的VSWR值和回波損耗S11值分別如圖6和圖7所示。由圖6可知，設(shè)計的VSWR低于2的最低頻點為2.53 GHz，最高頻點超過12 GHz。由圖7可知，天線的回波損耗低于-10 dB的最低頻點為2.55 GHz，最高頻點也在12 GHz以上。所設(shè)計的天線帶寬覆蓋了3.1～10.6 GHz頻段，符合設(shè)計要求。

圖6 電壓駐波比VSWR值圖Fig 6 VSWR values chart

圖7 回波損耗S11值圖Fig 7 S11 values chart

將圖1中所設(shè)計的EBG結(jié)構(gòu)加載到所設(shè)計的天線上，得到如圖8所示的天線。天線仿真和實物測試得到的VSWR值如圖9所示。

圖8 加載兩個EBG單元的天線Fig 8 Antenna by loading two EBG units

2.2 天線方向圖與增益系數(shù)

圖10和圖11分別給出了天線的E,H面方向圖和三維方向圖。圖10中虛線表示E面方向圖，實線表示H面方向圖，E面方向圖為近“8”的形狀，而H面為近“O”形，即具有全向特性。

圖11 天線三維輻射方向圖Fig 11 3D radiation direction diagram of antenna

天線在3～12 GHz內(nèi)的增益曲線如圖12所示。天線在整個頻帶范圍內(nèi)，方向圖圖形的相似度很高，阻帶范圍外，增益與初始天線相差不大，且都能保持在3 dB以上，而在阻帶范圍內(nèi)，天線的增益下降十分明顯，且加載了2個EBG單元的天線比加載一個單元增益下降更明顯，阻帶天線的設(shè)計效果也更好。

圖12 天線增益曲線Fig 12 Antenna gain curve

3 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種新型的“十字蘑菇”型EBG單元，討論了一些參數(shù)對單元性能的影響。再設(shè)計了一種覆蓋UWB頻段的UWB微帶天線，通過在天線上加載了EBG單元，使天線在3.11～5.97 GHz的頻帶范圍內(nèi)，VSWR值大于2，在5.46 GHz處達(dá)到了9.23的峰值，阻帶范圍覆蓋WiMAX(3.4～3.7 GHz),C-band(3.7～4.2 GHz),WLAN(5.15～5.35 GHz/5.725～5.825 GHz)這三個頻段，且天線增益在阻帶內(nèi)明顯降低。通過對天線的電場分布進(jìn)行分析，對比實物測試與仿真結(jié)果，表面該天線的阻帶特性良好。

[1] Yablonovitch E.Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics[J].Physical Review Letters,1987,58(20):2059-2061.

[2] John S.Strong localization of photons in certain disordered dielectric supper-lattices[J].Physical Review Letters,1987,58(23):2486-2489.

[3] Yablonovitch E,Gmitter T J,Leung K M.Photonic band structure:The face-centered cubic case employing nonspherical atom-s[J].Physical Review Letters,1991,67(18):2295-2298.

[4] Sievenpiper D,Zhang L J,Broas R F J,et al.High-impedance electromagnetic surfaces in a forbidden frequency band[J].IEEE Trans on Microwave Theory Tech,1999,47(11):2059-2074.

[5] Qian Y,Coccioli R,Sievenpiper D,et al.Micro-strip patch antenna using novel photonic bandgap structures[J].Microwave J,1999,42(1):66-67.

[6] Ren Y J,Chang K.Ultra-wideband planar elliptical ring anten-na[J].Electron Lett,2006,42(8):447-449.

Design of ultra-wideband stop-band antenna based on EBG*

HE Yang-jiong1, ZHANG Shi-quan2, QUAN Xiang-jin1, ZENG Jun2

(1.Postgraduate Brigade Engineering University of CAPF ,Xi’an 710086,China;2.School of Science Engineering University of CAPF,Xi’an 710086,China)

An electromagnetic bandgap(EBG)structure is designed according to actual application requirements.An ultra-wideband(UWB)microstrip antenna is designed by loading EBG unit on a designed stop band antenna.A number of parameters are discussed and optimized,and the antenna prototype is manufactured on the basis of physical simulation.The results show that in the frequency band range of 3.11～5.97 GHz,VSWR value is greater than 2 and at 5.46 GHz achieves peak value of 9.23,stop-band range covers WiMAX(3.4～3.7 GHz),C-band(3.7～4.2 GHz),WLAN(5.15～5.15 GHz/5.725～5.825 GHz) bands,and the antenna gain is significantly reduced in stop band.

electromagnetic bandgap(EBG)structures; ultra-wideband(UWB)antennas; stop-band antenna

10.13873/J.1000—9787(2016)12—0113—03

2016—01—13

國家自然科學(xué)基金資助項目(61072034,51302318)；陜西省自然科學(xué)基金資助項目(2011JQ6013)；武警工程大學(xué)基礎(chǔ)研究項目 (WJY—201404,WJY—201406)

O 441.4

A

1000—9787(2016)12—0113—03

何楊炯(1992-)，男，陜西西安人，碩士研究生，主要研究方向為超材料在天線中的應(yīng)用，電磁場數(shù)值方法。