淺談電磁帶隙結(jié)構(gòu)加載的微帶天線仿真設(shè)計(jì)

吳峻巖，馬成睿，陶 琴

（1.空軍預(yù)警學(xué)院，武漢 430019；2.94639部隊(duì)，南京 211599）

0 引言

現(xiàn)階段，電磁領(lǐng)域不斷發(fā)展，人們對光子晶體概念更加關(guān)注。這就使得電磁帶隙結(jié)構(gòu)，即EBG結(jié)構(gòu)的研究更加多樣。近幾年來，國內(nèi)外的相關(guān)研究人員對于EBG結(jié)構(gòu)更加關(guān)注，研究更加深入，應(yīng)用也較為廣泛。在微帶天線以及微波電路方面，對于EBG結(jié)構(gòu)的應(yīng)用更加普遍。電磁帶隙結(jié)構(gòu)加載微帶天線主要是利用了EBG結(jié)構(gòu)中禁帶的特性完成對于表面波的抑制工作，提升了天線輻射的電磁波能量，使得天線的輻射性能得到改善。本文對電磁帶隙結(jié)構(gòu)加載的微帶天線進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，并對其結(jié)果進(jìn)行分析，為相關(guān)研究人員提供參考。

1 EBG結(jié)構(gòu)分析

1.1 EBG結(jié)構(gòu)單元的分析

二維的EBG結(jié)構(gòu)有著表面抗阻的特點(diǎn)，所以又被稱作高阻抗表面結(jié)構(gòu)。EBG結(jié)構(gòu)的主要有四個(gè)部分：接地板、介質(zhì)基板、金屬過孔以及金屬貼片，結(jié)構(gòu)較為緊湊。通常情況下，相比與工作波長，EBG結(jié)構(gòu)的單元尺寸會更小，因此其特性可以利用等效的電路模型進(jìn)行分析與描述。LC并聯(lián)諧振電路就能夠作為EBG結(jié)構(gòu)的等效電路模型。一旦EBG結(jié)構(gòu)與天線輻射所產(chǎn)生的電磁波相互作用時(shí)，就會在EBG結(jié)構(gòu)單元中產(chǎn)生一定的感應(yīng)電流，使得相鄰的結(jié)構(gòu)單元的邊緣部分產(chǎn)生電荷，并形成電容。這意味著EBG結(jié)構(gòu)等效電路模型的電容主要來源于EBG結(jié)構(gòu)與其相鄰金屬貼片之間的縫隙邊緣的電場；EBG結(jié)構(gòu)等效電路模型的電感來源于EBG結(jié)構(gòu)中接地板與頂層金屬貼片之間的電流。

設(shè)定w為EBG結(jié)構(gòu)中金屬貼片的寬度、g為該結(jié)構(gòu)中金屬帖片之間的距離、a為金屬過孔的間距、t為EBG結(jié)構(gòu)介質(zhì)基板的厚度、εr為EBG結(jié)構(gòu)的相對介電常數(shù)、ε0代表真空介電常數(shù)、μ0代表真空磁導(dǎo)率，由此，利用公式能夠求得EBG結(jié)構(gòu)等效電路，也就是LC并聯(lián)諧振電路的阻抗值Z；利用公式能夠求得EBG結(jié)構(gòu)等效電路模型的諧振頻率w0；利用L=μ0t以及能夠求出EBG結(jié)構(gòu)等效電路模型的L與C的數(shù)值[1]。由以上計(jì)算能夠發(fā)現(xiàn)，當(dāng)EBG結(jié)構(gòu)的頻率趨近于w0時(shí)，Z的值趨近無窮大，使得表面波的傳遞得到抑制。

1.2 EBG結(jié)構(gòu)的參數(shù)對帶隙特性的影響

EBG結(jié)構(gòu)中的金屬貼片距離、金屬貼片寬度、介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)以及厚度對于帶隙機(jī)構(gòu)的特性都有一定的影響。在EBG結(jié)構(gòu)單元實(shí)際的加工中，對于金屬過孔有著較為嚴(yán)格的規(guī)定，其直徑要小于1mm。EBG結(jié)構(gòu)帶隙特性的變化情況進(jìn)行分析時(shí)，可以使用EBG結(jié)構(gòu)參數(shù)與反射相位之間的關(guān)系進(jìn)行研究。利用FDTD方法，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)EBG結(jié)構(gòu)中的金屬貼片寬度減少時(shí)，帶隙的寬度降低；當(dāng)介質(zhì)基板的厚度增加時(shí)，帶隙的寬度也有所增加；當(dāng)金屬貼片之間的距離增加時(shí)，帶隙的寬度也有所增加。

2 電磁帶隙結(jié)構(gòu)加載的微帶天線仿真設(shè)計(jì)

2.1 加載EBG結(jié)構(gòu)的微帶天線仿真設(shè)計(jì)

基于上文中對EBG結(jié)構(gòu)的分析，筆者對EBG結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行了設(shè)計(jì)，將其的帶隙中心頻率設(shè)定為5.75GHz。依照EBG結(jié)構(gòu)的等效電路模型，并結(jié)合上文中所涉及到的四個(gè)公式，能夠計(jì)算出該EBG結(jié)構(gòu)單元的各項(xiàng)參數(shù)如下：g=0.015λ0；w=0.167λ0；εr=2.20；t=0.03λ0。這其中，λ0代表著微帶天線的工作波長。通過FDTD方法以及色散模式法對該EBG結(jié)構(gòu)單元的反射相位以及能帶結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行分析與計(jì)算，能夠得出，反射區(qū)對應(yīng)的高端頻率為6.3GHz；反射區(qū)對應(yīng)的低端頻率為5.2GHz；反射相位的中心頻率為5.82GHz。這些數(shù)據(jù)與該EBG結(jié)構(gòu)單元的能帶結(jié)構(gòu)圖保持一致，意味著這一反射區(qū)間的頻率范圍就是該EBG結(jié)構(gòu)單元表面波帶隙的頻率范圍。

2.2 天線模型與參數(shù)分析

依照上文對EBG結(jié)構(gòu)單元的特點(diǎn)以及設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，筆者對以Rogers RT/duroid5880（tm）為基板的材料、工作頻率保持在5.75GHz、天線的輻射口徑出加載了介質(zhì)窗的EBG結(jié)構(gòu)微帶天線進(jìn)行了設(shè)計(jì)，控制D=0.31λ0為EBG結(jié)構(gòu)微帶天線的正方形金屬貼片天線寬度；控制EBG結(jié)構(gòu)微帶天線的基板厚度在貼片天線襯底厚度的1/2。同時(shí)，在貼片天線的實(shí)際工作中，使用同軸饋電的方式，并設(shè)定（3.7mm，0mm，0mm）為該同軸饋電的坐標(biāo)[2]。

3 仿真結(jié)果分析

筆者使用了HFSS電磁仿真軟件對加載EBG結(jié)構(gòu)的微帶天線以及普通微帶天線進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果顯示，在工作頻率附近，兩者均得到了相對較低的回波損耗。相比較來說，加載EBG結(jié)構(gòu)的微帶天線有著更加明顯的寬帶優(yōu)勢，最高能夠達(dá)到450MHz。經(jīng)過仿真分析能夠得出，加載EBG結(jié)構(gòu)的微帶天線能夠有抑制表面波，相比與普通微帶天線的抑制效果更好。加載EBG結(jié)構(gòu)的微帶天線，在E面的后瓣以及旁瓣有著較為明顯的表面波抑制作用，普遍減小了4dB左右。于此同時(shí)，加載EBG結(jié)構(gòu)的微帶天線的前向增益提升了0.5dB?？梢哉f，相比于普通微帶天線，加載EBG結(jié)構(gòu)的微帶天線性能更好。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文對EBG結(jié)構(gòu)的加載對于微帶天線性能的影響作出了研究。通過EBG結(jié)構(gòu)加載的微帶天線仿真設(shè)計(jì)以及對比實(shí)驗(yàn)，對加載EBG結(jié)構(gòu)的微帶天線的優(yōu)越性進(jìn)行了證明。結(jié)果得出，加載EBG結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的微帶天線對于表面波的抑制效果更好，有效提升了天線的增益。