一種加載EBG結(jié)構(gòu)微帶天線的應(yīng)用

李灝一

【摘要】 本文設(shè)計(jì)了一種在微帶貼片天線反射地板上加載EBG結(jié)構(gòu)的應(yīng)用方式，EBG結(jié)構(gòu)由多個(gè)諧振單元組成，可靈活安裝于天線反射地板上，基本不影響天線安裝環(huán)境，在反射地板尺寸較小，諧振單元數(shù)量較少的情況下仍能較好的抑制后向輻射，優(yōu)化了天線前后比。

【關(guān)鍵詞】 微帶天線 電磁帶隙（EBG）

一、引言

電磁帶隙（Electromagnetic Band gap，EBG）結(jié)構(gòu)是一種人工周期電磁材料，具有同向反射特性和帶隙特性。同向反射特性表現(xiàn)為EBG結(jié)構(gòu)反射電磁波相位隨著頻率連續(xù)變化，可用于設(shè)計(jì)低剖面天線、隱身天線設(shè)計(jì)。而帶隙特性表現(xiàn)為EBG結(jié)構(gòu)能夠阻止一定頻帶內(nèi)電磁波傳輸，而對(duì)帶外電磁波傳輸基本沒有影響。微帶天線由于重量輕、低剖面、易于共形、集成等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。但在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，由于受安裝環(huán)境限制，天線前后比往往難以提升，造成天線后瓣可能產(chǎn)生越區(qū)覆蓋。本文設(shè)計(jì)了一種加載EBG結(jié)構(gòu)的微帶天線，將EBG結(jié)構(gòu)應(yīng)用于微帶貼片天線，通過帶隙特性抑制表面波，減小天線互耦，優(yōu)化天線性能。天線工作頻率為4.2GHz，通過在天線地板上加載EBG結(jié)構(gòu)，在不影響天線安裝方式及尺寸的情況下，減小天線表面波，降低了天線后瓣電平，提高了天線性能。本文對(duì)加載EBG結(jié)構(gòu)的微帶貼片天線與普通微帶貼片天線方向圖進(jìn)行了對(duì)比，天線及EBG結(jié)構(gòu)采用HFSS微波仿真軟件設(shè)計(jì)。

二、EBG結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文采用蘑菇型EBG（Mushroom-like EBG）對(duì)微帶貼片天線進(jìn)行加載。EBG結(jié)構(gòu)見圖1所示，由金屬地板、貼片及金屬連接柱組成，貼片間縫隙等效為電容C，金屬連接柱等效為電感L，組成了LC諧振回路。

在本設(shè)計(jì)中，EBG結(jié)構(gòu)介質(zhì)基板為FR4，介電常數(shù)4.4。EBG單元尺寸見圖2（a）所示，其中L1=4.5mm，L2=5.2mm，H=1.1mm，R=0.5mm。采用懸置微帶線法對(duì)EBG周期結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，通過在EBG結(jié)構(gòu)上放置微帶線，模擬EBG結(jié)構(gòu)表面波傳輸情況，仿真結(jié)果見圖2（b）。從仿真結(jié)果可以看出，EBG結(jié)構(gòu)在4.2GHz處產(chǎn)生了明顯諧振，出現(xiàn)了帶隙特性。通過改變L1尺寸，調(diào)整縫隙大小，可調(diào)整EBG結(jié)構(gòu)諧振頻率。

三、微帶貼片天線加載EBG結(jié)構(gòu)

為驗(yàn)證EBG結(jié)構(gòu)對(duì)微帶貼片天線方向圖影響，設(shè)計(jì)了一種低剖面微帶天線，天線尺寸75mm×75mm。將微帶天線反射地板替換為EBG結(jié)構(gòu)，微帶天線介質(zhì)基板與EBG結(jié)構(gòu)之間采用PMI泡沫（厚度1mm，介電常數(shù)1.08）隔開，以防止天線饋線與EBG諧振單元短路，完整天線形式如圖3（a）所示。

通過HFSS微波仿真軟件分別對(duì)微帶貼片天線加載普通地板和加載EBG結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果見圖3（b）所示，實(shí)線為天線加載EBG結(jié)構(gòu)，虛線為天線加載普通反射地板。從仿真結(jié)果可以看出，兩種情況下天線前向方向圖基本一致，而加載普通反射地板的微帶天線后向電平值較大，而將EBG結(jié)構(gòu)作為反射地板的微帶天線由于帶隙特性抑制了天線表面波傳輸，減少了14 dB以上后向輻射，提升了天線前后比。而EBG結(jié)構(gòu)厚度為1.1mm，基本不影響天線安裝環(huán)境。

四、總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種加載EBG結(jié)構(gòu)的低剖面微帶貼片天線，EBG結(jié)構(gòu)由多個(gè)諧振單元組成，工作在4.2GHz，EBG結(jié)構(gòu)厚度較薄，可靈活安裝于微帶貼片天線反射地板上，基本不影響天線安裝環(huán)境，在反射地板尺寸較小，諧振單元數(shù)量較少的情況下仍能較好的抑制后向輻射，優(yōu)化了天線前后比，較大的提高了天線性能。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] F.Sievenpiper，High-Impedance Electromagnetic Surfaces.Ph.D.Dissertation，Department of Electrical Engineering，University of California at Los Angeles，CA，1999.

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[3] Fan Yang and Yahya Rahmat-Samii， Electromagnetic Band Gap Structures in Antenna Engineering.Cambridge University Press，2009.

[4] Lin Peng，Cheng-li Ruan，and Jiang Xiong，Compact EBG for Multi-Band Applicatons.IEEE Trans. Antennas Propagat.2012，60（9）：4440-4444.