一種新型EBG結(jié)構(gòu)的惠更斯源天線設(shè)計(jì)*

劉 輝，史美霞，崔嶺芝，孫緒保

（山東科技大學(xué) 電子通信與物理學(xué)院，山東 青島 266590）

0 引 言

20世紀(jì)90年代末，自UCLA的D.Sievenpiper提出了一種諧振蘑菇型EBG結(jié)構(gòu)即Mushroom-Like EBG結(jié)構(gòu)后，在微波領(lǐng)域，這種EBG結(jié)構(gòu)因其自身的抑制表面波特性和同向反射特性，逐漸開(kāi)闊了各國(guó)研究者的設(shè)計(jì)空間，突破了傳統(tǒng)天線的局限，提高了天線的各方面性能，并得到了廣泛應(yīng)用。

近年來(lái)，電小惠更斯源天線由于具有相對(duì)較小的電尺寸以及與生俱來(lái)的高方向性，受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注和深入研究。電小惠更斯源天線具有不依賴金屬的特性[1]，與多輻射單元的八木天線相比，更容易實(shí)現(xiàn)低剖面設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)惠更斯源天線的小型化設(shè)計(jì)，其中比較有效的方法是在惠更斯源天線的基礎(chǔ)上加載EBG結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[2]利用多層PCB技術(shù)實(shí)現(xiàn)了工作在28 GHz的平面電小惠更斯源天線的設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[3]利用近場(chǎng)寄生耦合原理實(shí)現(xiàn)了電小平面型惠更斯源天線，但是這種天線結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。

本次設(shè)計(jì)選用傳統(tǒng)電小惠更斯源天線作為主要輻射體，與貼片表面引入圓弧環(huán)槽的ELV-EBG（Edge-Located Via Mushroom-type EBG）結(jié)構(gòu)相結(jié)合，工作于1.39 GHz。

1 新型電磁帶隙結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[4]提出了一種比較容易實(shí)現(xiàn)小型化的ELV-EBG結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是將金屬孔由貼片的中心位置移至貼片的邊緣位置，但這種方法在減小諧振頻率方面效果不明顯[5]。所以，在ELV-EBG結(jié)構(gòu)的表面引入圓弧環(huán)槽，使其電流的流經(jīng)長(zhǎng)度延長(zhǎng)，整個(gè)并聯(lián)LC回路的諧振頻率為：

其中：

引入圓弧環(huán)槽的電磁帶隙單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，EBG貼片邊長(zhǎng)a=3.5 mm，兩貼片之間的間隙g=3.3 mm，金屬孔半徑r1=0.4 mm，圓弧環(huán)槽內(nèi)徑r2=0.8 mm，圓弧環(huán)槽外徑w1=2.4 mm，圓弧環(huán)槽寬度w2=0.4 mm。

圖1 圓弧環(huán)槽電磁帶隙單元結(jié)構(gòu)

2 天線整體結(jié)構(gòu)

利用近場(chǎng)耦合諧振技術(shù)，呈現(xiàn)電性的近場(chǎng)諧振寄生（NFRP）元件平行于xoy平面放置，沿x軸定向，位于上層介質(zhì)基板的頂面，相對(duì)于x軸產(chǎn)生電偶極子場(chǎng)；呈現(xiàn)磁性的NFRP元件平行于xoy平面放置，沿y軸定向，位于下層介質(zhì)基板的頂面，相對(duì)于y軸產(chǎn)生磁偶極子場(chǎng)。激勵(lì)單元位于上層介質(zhì)基板的底面，與同軸線的內(nèi)外導(dǎo)體相連接，EBG結(jié)構(gòu)位于下層介質(zhì)基板的內(nèi)部。采用同軸饋電的方式，通過(guò)將電、磁性NFRP元件垂直放置的有機(jī)結(jié)合，使得激勵(lì)幅度和相位中心盡可能相等[6]，實(shí)現(xiàn)單個(gè)饋源點(diǎn)非平衡饋電的電小惠更斯源天線。這種方法由于不需要采用巴倫進(jìn)行平衡轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。

天線整體設(shè)計(jì)采用兩層介質(zhì)基板共同實(shí)現(xiàn)，電性NFRP元件被設(shè)計(jì)成對(duì)稱“山”字型結(jié)構(gòu)，在增長(zhǎng)電流路徑的同時(shí)，減小了電偶極子與磁偶極子之間正對(duì)面的相互耦合，比較容易實(shí)現(xiàn)天線的性能。此外，將表面引入圓弧環(huán)槽的EBG結(jié)構(gòu)加載在惠更斯源天線的下方。上層基板選取半徑大小為16.25 mm，厚度h1=0.787 mm，相對(duì)介電常數(shù)εr=2.2的Rogers Duroid 5880作為介質(zhì)基板；下層基板選取半徑大小為16.25 mm，厚度h2=1.6 mm，相對(duì)介電常數(shù)εr=40，損耗角正切值為0.001 5的Trans-Tech MCT-40陶瓷材料作為EBG的介質(zhì)基板。

天線的整體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，其中圓弧環(huán)槽EBG結(jié)構(gòu)加載在下層介質(zhì)基板的中下部分，有利于減小諧振頻率點(diǎn)以及實(shí)現(xiàn)高輻射效率。經(jīng)過(guò)計(jì)算及仿真，得到優(yōu)化后的天線參數(shù)為：L1=1.5 mm，L2=5.25 mm，L3=23 mm，L4=1.2 mm，L5=0.75 mm，R1_int=14 mm，R1_ext=16.2 mm，R2_int=13.25 mm，R2_ext=16.26 mm，h1=0.787 mm，h2=1.6 mm，h3=7.5 mm，h4=10.9 mm。

圖2 天線結(jié)構(gòu)

3 仿真性能分析

通過(guò)HFSS 15.0對(duì)天線模型進(jìn)行仿真分析，得到電磁波在波導(dǎo)中傳播的S參數(shù)隨頻率變化的曲線。圖3給出了加載EBG結(jié)構(gòu)和未加載EBG結(jié)構(gòu)的回波損耗S11仿真結(jié)果對(duì)比圖。虛線是傳統(tǒng)的電小惠更斯源天線的S11曲線，諧振頻率2.013 GHz，阻抗帶寬24 MHz（2.000～2.024 GHz，1.2%）；實(shí)線表示的是加載圓弧環(huán)槽EBG結(jié)構(gòu)后的S11曲線，諧振頻率1.39 GHz，阻抗帶寬30 MHz（1.374 7～1.404 7 GHz，2.16%），可以涵蓋GPS的L3頻段。通過(guò)比較可知，加載圓弧環(huán)槽EBG結(jié)構(gòu)后，降低了0.623 GHz的諧振頻率，實(shí)現(xiàn)了天線的小型化。

圖3 S11曲線對(duì)比

圖4 為加載EBG結(jié)構(gòu)前后電小惠更斯源天線在諧振點(diǎn)處輻射方向圖的仿真結(jié)果對(duì)比，其中實(shí)線為E面輻射方向圖，虛線為H面輻射方向圖。由圖4可知，加載EBG結(jié)構(gòu)后增益提高了1.02 dB。

圖4 加載EBG結(jié)構(gòu)前后天線輻射方向圖對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種小型化的組合結(jié)構(gòu)，將圓弧環(huán)槽EBG結(jié)構(gòu)與惠更斯源天線相結(jié)合，采用平面兩層結(jié)構(gòu)，具有電小的物理尺寸。整個(gè)天線系統(tǒng)只有一個(gè)饋電點(diǎn)，與50 Ω源匹配良好，方向性較高。加載EBG結(jié)構(gòu)后，該天線的中心頻率降低了0.623 GHz，阻抗帶寬可以涵蓋GPS的L3頻段，增益提高了1.02 dB。可見(jiàn)，該圓弧環(huán)槽EBG結(jié)構(gòu)在改善天線性能方面具有良好的參考價(jià)值。