基于EBG的低剖面弱耦合PIFA天線

張小剛+曹軍+鄭靈+金謀平+李佩

摘 要：本文闡述了一種新穎的低剖面弱耦合PIFA（平面倒F天線）天線設計方法。該方法利用EBG（電磁帶隙）結構的高阻抗表面特性降低天線剖面、利用帶阻特性降低陣列天線單元之間的耦合強度。基于此方法，設計了一種共面緊湊型EBG結構，該EBG結構在帶內具有HIS（高阻抗表面）特性，同時具有帶阻特性。仿真數據顯示，通過在PIFA天線反射板上刻蝕該EBG結構，可以有效降低PIFA天線剖面高度，降低天線單元間耦合強度。結果表明，該設計方法原理簡單、實施有效，對低剖面天線的設計具有十分重要的意義。

關鍵詞：EBG；PIFA；高阻抗表面；耦合

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.011

1 引言

因PIFA天線（Planar Inverted-F Antenna）具有體積小、重量輕、可內置、易于加工等特點被廣泛應用于個人移動終端[1]。隨著個人移動通信的快速發展對PIFA天線的小型化提出了更高的要求，傳統的小型化天線手段已不能滿足要求。而近年來，新型電磁功能材料的研究發展使得進一步降低PIFA天線剖面成為可能[2，3]。

本文以此為研究背景，闡述了一種基于EBG結構HIS效應降低天線剖面高度的方法，并利用EBG的帶阻效應降低陣列中PIFA天線的耦和強度。設計了一種基于EBG結構的新型PIFA天線，仿真結果表明，該設計方法降低PIFA天線的剖面高度隔、提高隔離度有效。

2 PIFA天線設計

PIFA天線由輻射面、短路臂、饋電點和地板等組成，如圖1所示。影響PIFA天線的性能的結構參數主要有：輻射面的尺寸（ L 和W ）、短路臂的尺寸及位置、饋電點的位置及孔徑尺寸、地板的尺寸等。大量仿真及實驗表明，輻射面的尺寸（ L 和W ）與中心工作波長λ滿足經驗公式λ= 4 （W +L ）；短路臂的數量越多、半徑越大，天線的有效帶寬也越大，但中心頻率會偏移；地板作為PIFA 天線的參考平面，尺寸也是越大越好。但考慮到實際制作的可行性， 它的尺寸影響天線的諧振頻率、帶寬、增益和輸入阻抗等特性。

由于PIFA貼片終端和地板之間形成了輻射縫隙，邊緣場兼顧著儲能和輻射的作用。當普通金屬板用作天線的地板時，由于金屬板對電磁波的反射相位相反，為了保證有效的輻射，它與天線之間需要約λ/4的距離，擴大了天線結構的體積；同時，增加了在有限尺寸接地板邊緣的繞射、使得天線隔離度變差。當EBG地板引入后，一方面，高阻抗表面的同相反射特性又能減小反射板與天線之間的距離[4]。另一方面， EBG結構的帶隙效應，能夠減小天線的繞射效應、抑制表面波的激勵，提高天線的隔離度[5]。

3 EBG結構設計

EBG結構，是一種人造周期結構，主要通過在一種介質中周期性的加入另一種介質來獲得。高阻抗面是一種EBG結構，一般由金屬或介質單元組成，能夠抑制一定頻率范圍內的電磁波在其中的傳播。用作天線地板的高阻抗表面因具有同相反射特性可以減小反射板與天線之間的距離，通常認為，反射相位在 90°±45°范圍內的頻率段被稱作反射相位匹配頻段[6]

本文設計了一種共面緊湊型EBG結構，如圖2所示，該結構具有結構簡單、易于加工等特性。利用全波仿真軟件HFSS計算其反射相位，如圖3所示，從圖中可以看出，在2.3GHz-2.76GHz內，反射相位在 90°±45°范圍內；其阻帶特性見圖4，阻帶中心頻率位于工作頻帶內。

4 EBG-PIFA天線設計

本文設計的天線結構如圖5所示，在PIFA天線的地板中刻蝕圖2所示的EBG結構，來進一步改善天線的特性。表 1給出了該小型化低剖面PIFA天線的具體尺寸參數。

根據優化仿真結果表1所得數據，高阻抗EBG結構的加入天線剖面降低了PIFA天線的剖面，高度H為14mm，約為十分之一個中心波長。

EBG-PIFA天線的S參數仿真結果見圖6。從圖中可以明顯觀察到加載EBG結構后，天線單元的回波損耗（S11）沒有太多變化，但兩個單元的隔離度（S21）提高了約10dB，說明EBG結構的加入有效抑制了天線之間的耦合。

EBG-PIFA天線的輻射方向圖見圖7，相比無EBG結構的方向圖，邊緣副瓣電平有所降低是因為EBG結構提高了單元的一致性；相較于金屬地板，背瓣略微抬高，這是由于EBG地板存在鏤空結構，但對方向圖的影響有限，實際工作可接受。說明EBG結構的引入，降低了天線剖面，提高了天線的隔離度，改善了天線的輻射特性。

5 結論

本文首先針對無線系統中PIFA天線，提出一種降低剖面高度、提高隔離度的天線設計方法，該方法基于EBG結構特有的高阻抗表面特性與帶阻特性。接下來，基于該方法，設計了一種在工作頻段內具有表面阻抗特性與帶阻特性的EBG結構，并將其替換掉PIFA天線的地板。最后，通過全波仿真軟件仿真了加載EBG結構的PIFA天線，結果顯示EBG結構的引入，降低了天線剖面，提高了天線的隔離度，改善了天線的輻射特性，驗證了設計的正確性。

參考文獻：

[1]樊明延，張雪霞，馮正和.移動通信中小天線技術新進展[J].通信市場，2003（06）：80-82.

[2]R.F.J. Broas， D.F. Sievenpiper， E. Yablonovitch， “A High-Impedance Ground Plane Applied to a Cellphone Handset Geometry”， IEEE Trans. MTT， Vol. 49， NO. 7， 2001， pp. 1262-1265.

[3]Chattha H T， Huang Y. A Study of Parameter Changes on the Characteristics of Planar Inverted F Antenna[J].Antennas and Propagation， March 23- 27， 2009， 370- 373.

[4]F.Yang， K.Ma，Y.Qian，and T.Itoh，A Uni-Planar ComPact Photonic-bandgap（UC-PBG） Structure and Its Application for Microwave Circuit. IEEE Trans. Microwave Theory Tech，1999，47（08）：1509-151.

[5]R.Gonzalo，P.Maagt，M.Sorolla，“Enhanced Patch-Antenna Performance by Suppressing Surface Waves Using Photonic-Band-gap Substrates”，IEEE Trans.MTT，Vol.47，No.11，1999：2131-2138.

[6]Yang F.and Rahmat-Samii Y.， Reflection Phase Characterizations of the EBG Ground Plane for Low Profile Wire Antenna Applications. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2003，51（10）：2691-2703.

作者簡介：張小剛（1984-），男，河南安陽人，博士研究生，工程師，主要從事天線理論與技術、微波理論與技術研究。