一種加載EBG結構微帶天線的應用

李灝一

【摘要】 本文設計了一種在微帶貼片天線反射地板上加載EBG結構的應用方式，EBG結構由多個諧振單元組成，可靈活安裝于天線反射地板上，基本不影響天線安裝環境，在反射地板尺寸較小，諧振單元數量較少的情況下仍能較好的抑制后向輻射，優化了天線前后比。

【關鍵詞】 微帶天線 電磁帶隙（EBG）

一、引言

電磁帶隙（Electromagnetic Band gap，EBG）結構是一種人工周期電磁材料，具有同向反射特性和帶隙特性。同向反射特性表現為EBG結構反射電磁波相位隨著頻率連續變化，可用于設計低剖面天線、隱身天線設計。而帶隙特性表現為EBG結構能夠阻止一定頻帶內電磁波傳輸，而對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、集成等特點得到廣泛應用。但在實際應用環境中，由于受安裝環境限制，天線前后比往往難以提升，造成天線后瓣可能產生越區覆蓋。本文設計了一種加載EBG結構的微帶天線，將EBG結構應用于微帶貼片天線，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結構，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。本文對加載EBG結構的微帶貼片天線與普通微帶貼片天線方向圖進行了對比，天線及EBG結構采用HFSS微波仿真軟件設計。

二、EBG結構設計

本文采用蘑菇型EBG（Mushroom-like EBG）對微帶貼片天線進行加載。EBG結構見圖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。

在本設計中，EBG結構介質基板為FR4，介電常數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EBG周期結構進行仿真，通過在EBG結構上放置微帶線，模擬EBG結構表面波傳輸情況，仿真結果見圖2（b）。從仿真結果可以看出，EBG結構在4.2GHz處產生了明顯諧振，出現了帶隙特性。通過改變L1尺寸，調整縫隙大小，可調整EBG結構諧振頻率。

三、微帶貼片天線加載EBG結構

為驗證EBG結構對微帶貼片天線方向圖影響，設計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結構，微帶天線介質基板與EBG結構之間采用PMI泡沫（厚度1mm，介電常數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微帶貼片天線加載普通地板和加載EBG結構進行了仿真。仿真結果見圖3（b）所示，實線為天線加載EBG結構，虛線為天線加載普通反射地板。從仿真結果可以看出，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結構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結構厚度為1.1mm，基本不影響天線安裝環境。

四、總結

本文設計了一種加載EBG結構的低剖面微帶貼片天線，EBG結構由多個諧振單元組成，工作在4.2GHz，EBG結構厚度較薄，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境，在反射地板尺寸較小，諧振單元數量較少的情況下仍能較好的抑制后向輻射，優化了天線前后比，較大的提高了天線性能。

參 考 文 獻

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