基于多孔EBG结构的阶梯型微带天线设计

基于多孔EBG结构的阶梯型微带天线设计

陈建军

天津广播器材有限公司天津300210

摘要：微带天线由于具有剖面薄、体积小、重量轻且可与导弹或高速飞行器等载体表面共形的优点而被广泛应用于雷达通信、导航、电子对抗、遥测系统等领域。近年来，随着电子通信技术的高速发展，实际工程对高性能天线的需求越来越高，而一般普通微带天线的带宽、效率、增益、介质损耗等性能均难以满足实际工程应用的需求，在很多宽带以及超宽带的应用方面受到限制。为此，文章围绕基于多孔EBG结构的阶梯型微带天线设计进行研究，具有重要的现实意义。

关键词：多孔EBG结构；阶梯型；微带天线设计

引言：通过选择合适的多孔EBG结构表面参数，可实现电磁特性的可控性．将多孔型EBG结构加载在阶梯型微带天线设计中，不仅能利用其带隙结构的特性改善天线的辐射特性，制约表面波的传播，提高天线的带宽和增益，而且能使天线结构更加紧凑，有利于实现集成化和小型化。这为含有多层多孔型EBG结构阶梯型微带天线设计提供了理论基础，具有一定的工程实际参考价值。

1、EBG结构特性分析

1.1、EBG结构单元分析

二维EBG结构因其表面阻抗的特点，故又称为高阻抗表面结构，其结构单元一般由金属贴片、金属过孔、介质基板和接地板四部分构成。因EBG结构比较紧凑，其单元尺寸一般远小于工作波长，故EBG结构的许多特性均可用等效电路模型来描述，EBG结构的等效电路模型是一个LC并联谐振电路。当天线辐射产生的电磁波与EBG结构相互作用时，EBG结构单元会产生感应电流，相邻结构单元的边缘有电荷汇聚形成电容，故等效电路中的电容主要来自EBG结构相邻金属贴片间的缝隙边缘电场，而等效电感主要来自顶层金属贴片与接地板间的电流。

1.2、EBG结构参数对带隙特性的影响分析

由EBG的理论研究可知，EBG结构的物理特性是由自身结构参数决定的。如图１所示，EBG结构的主要参数有金属贴片宽度ｗ、金属贴片间距g、介质基板相对介电常数εｒ和厚度ｔ等，这些参数对EBG结构的特性均有一定影响，如表面波带隙位置的改变和同相位反射带隙宽度的变化等。在实际加工中，金属过孔有严格的尺寸限制，直径一般小于1mm，可认为对EBG结构特性的影响较小，故本文并未考虑其对EBG结构特性的影响。通常选择结构参数与反射相位的关系来描述EBG结构带隙特性的变化。利用FDTD方法，可以计算得到不同结构参数时EBG结构带隙反射相位的变化曲线。随着金属贴片宽度以及介质基板相对介电常数的增加，EBG结构带隙中心频率降低且带隙宽度减小；介质基板厚度的增加也会使带隙中心频率降低，但带隙宽度略有增加；而金属贴片间距的增加则使带隙中心频率升高，同时带隙宽度也略微增加。上述分析表明，结构参数相互制约着EBG结构的特性，这为EBG结构的应用提供了理论基础和广泛的选择。

2、基于CRLH/ZOR理论的多孔EBG结构带隙

对EBG结构带隙进行研究的方法一般有色散模式法、波导传输法、复合左/右手传输线法（CRLH）和零阶谐振法等。色散模式法是带隙结构计算最准确的方法，且该方法提供了EBG结构很多的信息，如波矢量、左、右模式信息等，但该方法计算量大，对计算机的性能要求较高，而且计算得到的带隙并不能被直接测试验证；波导传输法计算效率高，但由于波导的高度会影响带隙宽度，导致计算准确性不高。针对上述2种方法的缺陷，笔者采用ZORCRLH理论对多孔型EBG结构带隙进行研究。

图1所示的Mushroom-likeEBG平面可描述成CRLF平面，其等效电路如图1所示，并联部分是EBG结构本身固有的谐振，其谐振频率为Fsh，而串联部分则与表面的周期结构相关，其谐振频率为Fse，2部分谐振频率Fsh和Fse均是零阶谐振频率．由电容计算公式Ｃ＝εＳ／ｄ可知，CRCL，故Fsh＜Fse。

探测模型图：

由图2可见，当g由0.2mm增加至0.8mm时，Fsh基本维持在4.5ＧＨｚ左右，未发生明显改变，这说明g对Fsh的影响不大；但由图2可看出ｆｓｅ却从6.6，7.15Ｈｚ增长到7.5ＧＨｚ，所以g主要影响Fse。以上分析表明，多孔EBG结构可以选择合适的表面结构参数，如由g来确定谐振频率，从而求出多孔EBG结构的带隙频段，实现电磁特性的可控性。

仿真得到的S参数：

3、多孔EBG结构的阶梯型微带天线的建模与仿真

3.1、天线的模型和参数

多孔EBG结构单元的设计和对EBG结构产生的带隙的分析，设计了当εｒ＝４．４时，工作频率为５．８ＧＨｚ、介质损耗正切ｔａｎδ＝０．０２，ｔ＝２．０６８ｍｍ，基板材料为ＦＲ４环氧树脂的多孔型ＥＢＧ阶梯型微带天线，去除中间４×３个EBG结构单元以此放置贴片天线。多孔型ＥＢＧ阶梯型微带天线的贴片参数：贴片长度ＰａｔｃｈＸ＝１５．７４ｍｍ，贴片宽度ＰａｔｃｈＹ＝１１．７６ｍｍ，馈线与贴片之间的距离ｇ＝１．５０６ｍｍ，利用ＡＤＳ中的ＬｉｎｅＣａｃｌ对阻抗为５０Ω的微带线计算出来的馈线长度ＬＦ＝１１．８１ｍｍ、馈线宽度ＷＦ＝３．０１１ｍｍ．贴片天线衬底厚度为基板厚度的１．５７５倍（根据实际要求，天线与EBG结构可以不共用衬底介质基板），贴片天线采用微带线馈电，侧馈点位于贴片天线的中点。微带线馈电是微带馈线与微带贴片共面的一种馈电结构，该方式的缺点是微带馈线本身也会引起辐射并降低增益；但这种馈电方式具有制作简单的特点，且馈点位置的改变使馈线与天线间的耦合发生变化，使谐振频率有一定的漂移，但方向图一般不会受影响，具有一般性[1]。

3.2、仿真结果与分析

利用电磁仿真软件HFSS分别对普通微带天线、阶梯型微带天线以及多孔EBG结构的阶梯型微带天线进行了仿真。3类天线的回波损耗S11曲线和天线辐射方向图如下图所示，其中黑线表示普通微带天线，红线表示阶梯型微带天线，蓝线表示多孔EBG阶梯型微带天线[2]。

通过实际实验我们可以得出结论，多孔EBG结构的阶梯型微带天线在工作频率处有较低的回波损耗以及良好的匹配程度，在回波系数Ｓ１１＜－１０ｄＢ时，普通微带天线的带宽为5.75～5.85ＧＨｚ，阶梯型微带天线的带宽为5.28～5.50ＧＨｚ，而加载ＥＢＧ结构的阶梯型微带天线的带宽为5.3～5.6ＧＨｚ，后两者的带宽范围接近。随着介质基板的增大，天线的谐振频率有着明显的偏移，所以在实际设计中应该给予考虑；由于多孔型EBG结构产生的“带隙”消除了天线辐射时所产生的表面波，使得微带天线辐射方向图得到良好的改善，如主瓣方向辐射得到增强、副瓣电平有所降低。多孔EBG结构对Ｈ－ｐｌａｎｅ方向图并没有太大的影响，故表面波主要影响天线辐射Ｅ－ｐｌａｎｅ方向。多孔ＥＢＧ结构的阶梯型微带天线相比普通微带天线相对带宽增加了3.8％，相比阶梯型微带天线相对带宽增加了1.4％，而增益相对于阶梯型微带天线则增加了0.4991ｄＢ[3]。

结论

简而言之，利用CRLH/ZOR理论对多孔型EBG结构的带隙研究表明：与单孔EBG结构相比，通过选择合适的多孔EBG结构表面参数可实现电磁特性的可控性，且可以使天线尺寸减小。将多孔EBG结构应用到阶梯型微带天线中不仅能利用其带隙结构的特性改善天线的辐射特性，抑制阵列天线之间产生的表面波，降低天线间的耦合效应，提高天线的带宽和增益，而且能减小天线的尺寸，有利于实现集成化和小型化，这对于工程实际应用有一定的理论指导意义[4]。

参考文献：

[1]肖志刚，蒋瑶，尹绍全．基于阶梯状电磁带隙结构提高带宽和增益微带天线的设计[J]系统仿真学报，2017，27（2）：279-280.

[2]闫敦豹，付云起，张国华．EBG结构在微带天线阵屮的应用[J].微波学报，2015，21（S1）：75-76.

[3]付云起，袁乃昌，温熙森．微波光子晶体天线技术[M].北京：国防工业出版社，2017：5.

[4]薛玲玲，钟顺时.采用倒π形馈源的超宽带缝印刷天线[J].上海大学学报：自然科学版，2009（2）：130-133.