一種采用電磁帶隙結(jié)構(gòu)地板的微帶八木天線

曾文波,趙 嘉,黃慶南

(廣西工學(xué)院電子信息與控制工程系,廣西 柳州 545006)

1 引 言

八木天線由于具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、增益高等特點(diǎn),在雷達(dá)和通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。基于微帶結(jié)構(gòu)的八木天線,由于同時(shí)具備了半波振子類天線的特點(diǎn)和微帶結(jié)構(gòu)的諸如體積小、重量輕、剖面低、具有平面結(jié)構(gòu)以及易于與導(dǎo)彈、衛(wèi)星等載體表面共形等優(yōu)點(diǎn),其研究也越來越引起了人們的興趣。與普通邊向輻射的微帶帖片類天線不同,微帶八木天線是端向輻射的,其最大增益方向可與微帶基片的法線方向相垂直,并可以通過調(diào)整微帶振子長度、數(shù)量以及振子間距等參數(shù)來改善天線的性能,特別是用于提高天線的增益。通常,可以通過增加引向器數(shù)量的方法來提高八木天線的增益[1],顯然,這種方法是以增大天線的體積為代價(jià)的。

電磁帶隙(Electromagnetic Band-gap,EBG)結(jié)構(gòu)是一種人為的周期結(jié)構(gòu),主要是通過在一種材料中周期地加入另一種材料來獲得。在微波頻段,EBG結(jié)構(gòu)具有很好的阻帶特性,能很好地抑制一定頻帶內(nèi)電磁波在其中的傳播。近年來,將EBG結(jié)構(gòu)引入到微帶天線的設(shè)計(jì)中,用于抑制表面波、降低天線的副瓣、提高天線增益和前后比,國內(nèi)外有很多文獻(xiàn)報(bào)道,其相關(guān)研究也取得了很大的進(jìn)展[2～4]。在阻帶頻率范圍內(nèi),具有高阻抗表面(High-impedance Surface)的EBG結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波的反射具有同相位反射的效果,即對(duì)于垂直入射到EBG結(jié)構(gòu)上的電磁波,其反射波和入射波相位是相同的,這一零反射相位特性類似于理想磁導(dǎo)體(PMC)材料,故帶有高阻抗表面EBG結(jié)構(gòu)的微波材料也常常被稱為人工磁導(dǎo)體(AMC)材料[5]。在常規(guī)八木天線的設(shè)計(jì)中,有源振子和反射器的距離必須設(shè)置在0.15～0.25個(gè)波長之間才能獲得最大的增益,而采用PMC材料或者AMC材料作為反射器,可以不受此約束,反射器可以和有源振子離得很近,這在天線的低剖面、小型化設(shè)計(jì)中具有十分重要的意義。

文獻(xiàn)[5]提出了一種基于叉型微帶貼片(Forklike Metal Patches)構(gòu)成的EBG結(jié)構(gòu)單元,并通過金屬棒與地板短路的方法,實(shí)現(xiàn)了三維EBG結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[4]采用該叉型微帶貼片結(jié)構(gòu)單元和與之共面的折彎金屬帶(MeanderedMetal Strip)相結(jié)合,構(gòu)造了新的EBG單元和對(duì)應(yīng)的一維EBG結(jié)構(gòu),并設(shè)計(jì)了基于該結(jié)構(gòu)作為地板的微帶半波天線。本文在此基礎(chǔ)上,構(gòu)造了新的二維EBG結(jié)構(gòu),并研究了其電磁傳輸特性,設(shè)計(jì)了一款采用該EBG結(jié)構(gòu)作為地板和反射器的微帶八木天線。此外,還研究了天線結(jié)構(gòu)相關(guān)尺寸變化對(duì)天線阻抗特性的影響。

2 EBG結(jié)構(gòu)及其特性

文獻(xiàn)[4]提出的EBG單元結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,它由通過在介質(zhì)基片上刻蝕叉型貼片和與之共面的折彎金屬帶構(gòu)成。圖中,hi和li分別為折彎金屬帶的總長度和總寬度,wi和gi分別為金屬帶寬度和間距,hc和lc分別為叉型貼片的總長度和總寬度,wc和gc分別為叉型貼片金屬帶的寬度及其間隙。相鄰貼片縫隙間的電容C和折彎金屬帶的電感L分別構(gòu)成EBG單元等效LC電路中的等效電容C和等效電感L。本設(shè)計(jì)構(gòu)造的二維EBG結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。通常,可以用圖1(c)所示的等效LC帶阻濾波器模型來分析EBG結(jié)構(gòu)的頻率特性,并通過改變L和C的值,獲得EBG結(jié)構(gòu)的阻帶頻率范圍。

圖1 二維EBG結(jié)構(gòu)示意圖及LC等效電路Fig.1 Configuration of the proposed 2-D EBG structure and equivalent LC circuit

對(duì)于具體的微波介質(zhì)材料,圖1(a)所示的EBG單元,其等效電容C和電感L可由叉型貼片以及折彎金屬帶的相關(guān)幾何參數(shù)決定,而EBG阻帶的中心頻率則由下式?jīng)Q定[5]:

為進(jìn)一步研究上述EBG單元的電磁特性,引入懸置微帶線方法[5],用電磁仿真軟件HFSS對(duì)4×20EBG單元所構(gòu)成EBG結(jié)構(gòu)的電磁傳輸特性進(jìn)行了研究。具體做法如下:在尺寸為90mm×85mm×1.5mm的雙面FR4介質(zhì)的一面刻蝕一條微帶線,另一面刻蝕嵌有4×20EBG單元的地板。選取微帶線寬度為2.8mm(對(duì)應(yīng)特性阻抗為50Ψ),介質(zhì) εr=4.4,HFSS仿真模型如圖2(a)所示。經(jīng)反復(fù)仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì),針對(duì)2.5 GHz的阻帶中心頻率,EBG單元相關(guān)幾何參數(shù)為:hc=3.2mm,lc=2.8mm,wc=0.8mm,gc=0.4mm,hi=4.0mm,li=2.8mm,wi=0.3mm,gi=0.4mm。

圖2(b)為4×20EBG單元S21的頻率特性曲線。由圖可見,S21≤-10dB的頻率范圍為 2.35～2.55 GHz,阻帶中心頻率為預(yù)期的2.5GHz。顯然,該二維EBG結(jié)構(gòu)在水平方向上有很好的阻帶特性。

圖2 4×20EBG單元電磁特性仿真Fig.2 Electromagnetic characteristic of 4×20EBG cells

3 天線的設(shè)計(jì)

3.1 天線的結(jié)構(gòu)及工作原理

基于EBG地板微帶八木天線結(jié)構(gòu)如圖3所示,天線采用上述提及的FR4介質(zhì)材料,其總體寬度和長度分別為W和L,厚度為h。天線由天線輻射臂(尺寸為W2×L2)、引向器(尺寸為 W1×L1)以及帶4×20EBG單元有截?cái)嗝娴牡匕搴臀ю伨€構(gòu)成,其中,引向器與天線上邊緣距離為l1,輻射臂與引向器間距為 l2。天線臂、引向器和地板刻蝕在FR4材料的一面,另一面為微帶饋線,有截?cái)嗝娴腅BG地板同時(shí)又是天線的反射器。天線上下兩層采用直徑為0.6mm的金屬通孔相聯(lián)。為擴(kuò)展天線的阻抗帶寬,在金屬通孔和50Ψ微帶饋線之間,采用了二級(jí)阻抗變換,對(duì)應(yīng)的微帶線長度和寬度分別為LS2和WS2以及LS1和WS1。通過調(diào)節(jié)兩臂間縫隙的寬度WG和長度LG,可使天線的兩輻射臂相位差為180°,起到寬帶巴侖作用[6]。此外,天線各部分尺寸設(shè)計(jì)的原則是使天線的諧振頻率與EBG結(jié)構(gòu)的阻帶中心頻率一致。采用HFSS軟件,在實(shí)現(xiàn)良好阻抗匹配特性并兼顧提高天線增益的前提下,對(duì)天線進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì),優(yōu)化后樣本天線的尺寸參數(shù)如下:L=90mm,W=85mm,W1=31mm,W2=54mm,WG=2mm,WS1=7.6mm,WS2=4.4mm,WS=2.8mm,L1=5mm,L2=12mm,LS1=12mm,LS2=16mm,LG=22mm,l1=10mm,l2=13mm,d=3mm。

圖3 天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Configuration of the proposed antenna

3.2 電氣性能及分析

按上述尺寸加工了一副樣本天線和一副尺寸相仿的對(duì)比天線,其中,對(duì)比天線結(jié)構(gòu)和尺寸與樣本天線完全一樣,但采用普通金屬地板作為反射器。為獲得最佳增益,作為反射器的金屬地板和輻射臂的距離必須在0.15λe～ 0.25λe之間(λe為介質(zhì)波導(dǎo)波長),經(jīng)仿真優(yōu)化取D=14mm。天線輸入端經(jīng)SMA與電纜相聯(lián),采用Agilent 8753ES網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)樣本天線和對(duì)比天線的阻抗特性進(jìn)行了測試,輸入端反射系數(shù)S11結(jié)果如圖4(a)所示。顯然,仿真和實(shí)際測試結(jié)果基本吻合。樣本天線在2.3～2.75 GHz頻率范圍內(nèi),S11≤-10dB,相對(duì)帶寬達(dá)18%。相應(yīng)地,對(duì)比天線 S11≤-10dB頻率范圍為 2.3～2.6 GHz,相對(duì)帶寬為12%。兩個(gè)天線的中心頻率都在設(shè)計(jì)的2.5 GHz上,說明EBG的引入對(duì)天線的中心頻率影響不大,但能有效提高天線的阻抗帶寬。圖4(b)和(c)分別給出了天線在xoy平面和yoz平面仿真的增益方向圖。顯然,在兩個(gè)平面上,樣本天線方向圖都比對(duì)比天線變窄,在主波束指向(y方向),樣本天線的增益較對(duì)比天線要大。實(shí)際測試結(jié)果表明,樣本天線在最大指向增益為10.1 dBi,而對(duì)比天線的實(shí)測增益為8 dBi。

圖4 天線的電氣性能Fig.4 Performance of proposed antenna

3.3 參數(shù)分析

影響天線阻抗及輻射特性的參數(shù)很多,這些參數(shù)包括輻射臂、引向器和地板的尺寸以及它們之間的距離等。為簡化分析,本文重點(diǎn)仿真研究了EBG地板與輻射臂之間的距離d、兩輻射臂間隙WG對(duì)天線阻抗特性的影響。

圖5(a)和(b)是上述幾何參數(shù)變化時(shí),樣本天線S11仿真得到的頻率特性曲線。由圖5(a)可見,d對(duì)天線S11的影響不大,不同的d值,S11極小值基本保持在中心頻率上。但隨著d的增大,S11極小值上升,相應(yīng)的阻抗帶寬減小,但變化緩慢。這一結(jié)果表明,采用EBG結(jié)構(gòu)作為微帶八木天線的反射器時(shí),反射器與輻射臂的距離可以很小,同時(shí)該距離的變化對(duì)天線阻抗特性影響有限。這個(gè)特點(diǎn)在天線的小型化設(shè)計(jì)和加工中顯然具有重要的指導(dǎo)意義。圖5(b)表明,輻射臂間隙WG對(duì)天線阻抗特性具有明顯影響,WG微小的變化會(huì)引起天線諧振點(diǎn)較大的偏移,阻抗特性也嚴(yán)重惡化。顯然,WG直接影響到輻射臂的有效長度和微帶巴侖的有效尺寸,出現(xiàn)這個(gè)結(jié)果是必然的。

圖5 d和WG變化時(shí)天線S11頻率特性曲線Fig.5 S11of the prototype antenna with different d and WG

4 結(jié) 論

本文構(gòu)造了一種基于FR4介質(zhì)材料的二維EBG結(jié)構(gòu),深入研究了該結(jié)構(gòu)的電磁傳輸特性,設(shè)計(jì)了一款采用EBG結(jié)構(gòu)為地板和反射器的微帶八木天線。天線S11≤-10dB的相對(duì)帶寬為18%,最大輻射方向增益達(dá)10.1 dBi。與相同尺寸用普通金屬面做地板和反射器的對(duì)比天線比較,所設(shè)計(jì)帶EBG地板天線的增益提高了約2 dBi,阻抗相對(duì)帶寬提高了34%。此外,本文還對(duì)影響天線性能的主要尺寸參數(shù)進(jìn)行了研究,所做的工作和結(jié)論對(duì)平面、高增益天線的設(shè)計(jì)具有很好的參考價(jià)值。

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