電磁帶隙結構加載的微帶天線仿真設計

孫斌++熊海亮

摘 要本文研究一種電磁帶隙結構微帶天線。分析電磁帶隙結構的帶隙特性，設計一個電磁帶隙結構加載的微帶天線，并進行仿真實驗。仿真結果表明，將EBG 結構置于微帶天線陣的底部作為微帶天線陣列的金屬反射板，有效地抑制天線表面波的傳播，降低微帶貼片天線后瓣，提高天線增益。

【關鍵詞】電磁帶隙 微帶天線 后瓣

1 引言

隨著光子晶體概念在電磁領域的發展，電磁帶隙EBG（ ElectromagneticBandGap） 結構的特性研究在國內外得到廣泛的關注近年來，電磁帶隙結構在微波電路和微帶天線方面得到越來越多的應用。電磁帶隙結構微帶貼片天線利用EBG 結構的禁帶特性抑制表面波，增加天線輻射到空的電磁波能量，從而改善天線的輻射性能。資料顯示，目前關于電磁帶隙微帶天線的研究有介質基板鉆孔型、接地面腐蝕型、高阻抗表面型、緊湊結構型、夾層結構型等，都在一定程度上改善了天線的性能。本文研究電磁帶隙結構應用于微帶貼片天線代替反射板， 它能很好地抑制表面波效應，從而降低天線背向輻射，提高天線增益。通過數值仿真可見其良好的效果。

2 天線仿真設計

2.1 電磁帶隙結構

電磁帶隙結構是指對特定頻段內的電磁波產生阻帶特性的一種周期結構。理論上，在這種結構中電磁波不能傳播，而當電磁波照射到這種結構時會被全部反射，但反射波與入射波相位相同，不會產生互相抵消的現象。因此將這種結構用于微帶天線時，天線的輻射性能可以得到改善。

本文采用的EBG 結構為Sievenpiper 提出的Mushroom 結構，它是由一組金屬貼片在介質基板上排列得到的，金屬貼片通過每個貼片中心的垂直導電孔與介質基板下面的金屬板地面相連，其結構示意圖如圖1 所示。

這種結構可由并聯LC 等效電路模型等效，由估算的等效電容和電感可得到EBG 結構的諧振頻率，單元等效參數為：

其諧振頻率。式中p 為貼片單元周期長度，w為方形貼片單元長度，w為貼片單元間隔，t 為介質板厚度，為介質板相對介電常數，μ為等效介電常數。

本文設計的微帶天線頻率為1.8GHz，通過計算和優化仿真，最終得到EBG結構參數：采用基板相對介電常數為Er=6，厚度t=2mm，貼片單元周期p=31mm，貼片單元長度為w=30mm，過孔直徑為0.5mm。

2.2 加載EBG結構的微帶天線

加載EBG結構的微帶天線陣如圖2所示。加載EBG 結構的微帶天線陣包含兩個部分，上層天線介質基片未矩形微帶貼片天線，微帶天線陣為2x2陣列，采用介質板厚度為2mm，相對介電常數為6，4個微帶貼片天線采用側饋形式通過功分器合成輸出，合成輸出端采用同軸饋電形式（背饋）。下部分為EBG結構，位于底部作為天線陣反射板，同時底部開孔便于背饋同軸連接器連接。

通過仿真優化計算，得到加載EBG結構的微帶天線陣方向圖，結果如圖3所示。

通過與普通天線陣對比發現，加載EBG 結構后，主要對E 面的旁瓣和后瓣抑制效果非常明顯，E 面方向圖旁瓣及后瓣減小4dB，同時天線陣前向增益增加0.5dB。仿真顯示加載EBG 結構能有效抑制天線陣的表面波，降低天線旁瓣及后瓣，提高天線陣的增益。

3 結論

本文研究了EBG 加載方式對微帶天線陣性能的影響。仿真計算表明所設計微帶天線陣由EBG 結構作為天線的金屬反射板，降低天線背向輻射，提高天線增益，有效地提高了微帶天線陣的性能。下一步需要進行實物的驗證測試，從而證實其實際效果。

參考文獻

[1]林昌祿等.天線工程手冊[M].北京：電子工業出版社，2002.

[2]李有權等.新型電磁帶隙結構加載的微帶天線陣[J].國防科技大學學報，2010.

作者單位

武漢濱湖電子有限責任公司 湖北省武漢市 430205