高阻抗表面型PBG結構貼片天線的設計

周 琨,姜 興

摘 要:將高阻抗表面型光子帶隙材料用于微帶貼片天線的設計,利用其頻率帶隙抑制天線中激勵的表面波。求解輻射方向圖,并與常規微帶貼片天線相比較,證實了在表面波的影響比較顯著的情況下,光子帶隙材料的引入可以有效地抑制表面波的傳播,從而改善原有天線的性能。仿真結果表明:PBG天線的增益比原貼片天線提高了約0.53 dB。

關鍵詞:微帶貼片天線;微帶天線;光子帶隙;表面波

中圖分類號:TN82文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)19-092-02

Design of Patch Antennas Based on PBG Structure with High Impedance Type Surface

ZHOU Kun,JIANG Xing

(School of Information and Communication Engineering,Guilin University of Electronic Technology,Guilin,541004,China)

Abstract:Designing the patch antennas based on PBG structure with the high impedance type surface,this experiment uses the frequency band to inhibit the surface wave which produced by the antenna.To obtain the radiation orientation pattern,and compared with the conventional microstrip antenna patch,the article confirms that the introduction of photonic bandgap materials can effectively restrain the dissemination of surface wave when the situation is surface wave influence quite remarkable.Through this way to improve the original antenna's performance.Simulation results show that the gain of PBG antenna raised about 0.53 dB than ordinary patch antennas.

Keywords:microstrip patch antenna;microstrip antenna;photonic bandgap;surface wave

由于微帶貼片天線具有體積小、重量輕、低剖面、易加工、共形等優點,所以在軍事和民用方面都有著廣泛的應用前景。眾所周知,集成電路的基底是一些高介電常數材料,而微帶貼片天線在低介電常數基底上才能獲得最佳性能。位于高介電常數基底的貼片天線由于表面波的損耗輻射效率很低,并且頻率帶寬極窄,當應用的頻率變高時這種情況更加突出,導致貼片天線的增益和效率下降,并且在陣列情況下還會有高的交叉極化電平和互耦電平。為了實現微帶貼片天線的集成化,同時避免昂貴的基底混合技術,就必須在高介電常數基底上實現高效率的貼片天線。近年來出現的新型光子晶體貼片天線能夠較好地改善以高介電常數介質為基底的貼片天線的性能。光子晶體貼片天線是指基于光子晶體的貼片天線。所謂光子晶體,或稱PBG材料,是指將高介電常數的介質周期性的放置所產生的一種人工電磁晶體,該電磁晶體的表面波波矢圖在某一頻率范圍內出現一個頻率禁帶,簡稱禁帶。通過在貼片天線中人為的引入光子晶體結構,并利用光子晶體的禁帶效應,抑制沿基底傳播的表面波,增加天線輻射到空間的電磁波,從而改善天線的性能。本文所采用的高阻抗表面型PBG結構具有結構緊湊、帯隙性能好、可以集成等優點,在天線的設計中得到了廣泛的應用。

1 PBG天線設計

本文設計的矩形貼片天線,是中心頻率為10 GHz的矩形微帶天線(輻射元為矩形),饋電方式選為中心側饋。采用ROGER3010材料做為基板,厚度h=1.28 mm,相對介電常數=10.2。矩形貼片的尺寸為L×W。貼片單元的尺寸由經驗公式計算可以得出:

W=c2frεr+12-1/2=6.34 mm

(1)

貼片寬度經計算為6.34 mm。

εe=εr+12+εr-121+12hw-1/2=8.086 4

(2)

Δlh=0.412(εe+0.3)(w/h+0.264)(εe-0.258)(w/h+0.8)

Δl=0.512 mm

(3)

可以得到矩形貼片長度為:

L=c2frεe-2Δl=4.25 mm

(4)

利用ADS自帶的計算傳輸線的軟件LineCalc來計算傳輸線的寬度w=0.162 mm。

PBG材料的設計首先利用等效媒質模型得到初始的參數,更準確的參數則通過全波數值仿真獲得。由于高阻抗表面PBG結構的周期大小遠小于工作波長,適合用集總電路元件(電容、電感)組成的等效LC并聯諧振電路來描述其電磁特性。像電路濾波器一樣阻止沿表面傳輸的電流。如前所述,蘑菇型高阻抗表面相鄰貼片間的電容效應(介質基片既起著支撐作用,又達到增強電容的效果),與金屬過孔的等效電感組成集中參數的并聯諧振電路。這里有高阻面的設計公式:

L=μ0t

(5)

C=w(ε0+εr)πcosh-1(a/g)

(6)

ω0=1LC

(7)

式中:εr是介質的介電常數;t是高阻面的高度;g是周期間距;w是單元邊長;a為周期。

最后得到的設計結果是,w=1.73 mm,g=0.22 mm(如圖2(b)所示)。

圖1 高阻抗型PBG結構及其等效電路

圖2 高阻表面尺寸模型

2 建模與仿真

根據設計的PBG天線的結構,在HFSS中建模并仿真。模型圖如圖3所示,仿真得到的反射系數圖如圖4和圖5所示。

圖3 在HFSS中所建的模型

可以看到回波損耗小于-10 dB的帶寬約為600 MHz,參考天線諧振頻率為996 GHz,PBG微帶天線諧振頻率為1005 GHz。PBG天線的諧振頻率比參考天線略高,這是因為二者之間的耦合造成的。二者在999 GHz具有相同的反射系數-2128 dB,在這個頻率上仿真得到其方向圖如圖6和圖7所示。可以看到PBG結構使方向性有所增強,天線的增益大約提高053 dB。PBG貼片天線因為表面波被抑制從而增強了主模的輻射幅度而使增益提高。

圖4 普通貼片天線的回波損耗圖

圖5 PBG天線的回波損耗圖

圖6 普通貼片天線的方向圖

圖7 PBG天線的方向圖

3 結 語

本文對高阻抗型PBG結構的微帶天線進行了設計和仿真,求解了PBG結構的微帶貼片天線和常規微帶貼片天線輻射方向圖。仿真結果證明,在表面波的影響比較顯著的情況下,PBG材料的引入可以有效抑制表面波的傳播,提高天線的增益,優化天線的方向圖。證明了光子帶隙結構確實能夠壓制表面波,提高輻射增益。得出的結論對微帶天線的計算及工程設計上有一定的意義。

參考文獻

[1]鐘順時.微帶天線理論與應用[M].西安:西安電子科技大學出版社,1991.

[2]閆敦豹,袁乃昌.PBG結構缺陷的諧振特性研究[J].微波學報,2003,19(3):29-33.

[3]朱方明,林青春.新型電磁(光子)晶體貼片天線的研究進展[J].電波科學學報,2002,17(2):182-186.

[4]Brown E R,Parker C D,Yablonovitch E.Radiation Properties of a Planar Antenna on a Photonic-crystal Substrate[J].Opt.Soc.Am.B,1993,10(2):404-407.

[5]Qian Yongxi.A Mocrostrip Patch Antenna Using Novel Photonic Bandgap Structure[J].Microwave Journal,1999:221-224.

[6]Marc Thevenot.Directive Photonic Bandgap Antenna[J].IEEE Trans.on Microwave Theory and Techniques,1999,47(11):2 115-2 121.

[7]Zhang Lijun.Numerical Characterization of Electromagnetic Bandgap Materials and Applications in Printed Antennas and Arrays[D].University of California at Los Angles,2000.

[8]付云起,童創明,張國華,等.平面微波光子晶體的表面波帶隙[J].國防科技大學學報,2003,25(2):76-78.

[9]李英明,鐘順時.新型光子帶隙微帶貼片天線[J].微波學報,2005,21(3):39-42.

[10]閆敦豹,高強,付云起,等.一種基于改進型高阻表面的微帶天線[J].電子學報,2005,33(3):511-513.