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1、采用EBG地的低剖面微帶定向天線設計許健，陳星(四川大學電子信息學院，四川成都610064)摘要：對具有金屬地的微帶定向天線，低剖面設計面臨著工作頻帶蜜的曜題。采用殺慕形EBG姑構代替微帶定向天線的常規(guī)金屬地，利用EBG地對特定頻率電磴波的同相反射特性，在保特天線工作頻帶條件下，蝙戒天線微帶墓板的厚度實現(xiàn)低割而設計。以一只工作頻點為5.8GHz的2x2微帶陣列天線為例，該陣列天線的轄射單元采用分形姑構以進一步提升天經帶寬。仿真計算和實際刪試表明：但微帶陣列天線在采用低制而設計后，微帶基板厚度由原10mm降至0.25mm,而天線的定向轄射方向圖、增益和工作帶寬基本保持不變。關鍵訶：EBG;分形結

2、構；微帶天線；低制面設計中圖分類號：TN827-34文獻標識碼：A文章編號：1004-373X(2014)09-0058-04DesignoflowprofilemicrostripdirectionalantennausingEBGgroundplaneXUJian,CHENXing(SchoolofElectronicsandInformation.SichuanUniversity,Chengdu610064,China)Abstract:Thelowprofiledesignofmicrostripdirectionalantennawithmetalgroundisfacingthe

3、challengeofnarrowworkingfrequencyband.Inthispaper,mushroom-likeelectromagneticband-gap(EBG)structureisusedtoreplacetheconventionalmetalgroundinmicrostripdirectionalantenna.EBGgroundcouldperformsamephasereflectionwhenitrespondstospecificfrequencyelectromagneticwaves.Therefore,alowprofiledesignachieve

4、dbyemployingtheEBGgroundandreducingthethicknessoftheantenna'smicro-bandbaseplatewhilemaintainingtheworkingfrequencyband.A2x2microstriparrayantennawithworkingfrequencypointof5.8GHzistakenasanexampleinthispaper.Thefracturalstructureisusedforradiativeunitofthisarrayantennatofurtherwidenitsbandwidth

5、.Bothsimulatingcalculationandthetestresultsshowthat,withthelowprofiledesignforthemicrostriparrayantenna,thethicknessofthemicrostripbaseplatecanbereducedfrom1.0mmto0.25mmwhilethedirectionalradiationpattern,gainandworkingbandwidthalmostkeeptheoriginalstate.Keywords：electromagneticband-gap;fractalstruc

6、ture;microstripantenna;lowprofiledesign。引言隨著國防航天等領域的不斷發(fā)展，低剖面天線憑著體積小，重量輕等優(yōu)點，能夠有效降低相應成本,故得到了越來越多的重視。傳統(tǒng)微帶天線雖然擁有諸多優(yōu)勢，但也存在著頻帶窄、難以降低剖面等缺點。為了增加微帶天線的頻帶，常用的方法有采用厚基板，采用介電常數(shù)較小的基板，附加阻抗匹配網絡，采用多層結構，在貼片或接地板“開窗”等。光子晶體是指具有一定光子帶隙的一種人造周期性電介質結構。其研究范圍涉及到光學、電磁學、聲學波段等，在微波和毫米波領域通常稱其為電磁帶隙結構。近年來，隨著國內外的不斷研究發(fā)現(xiàn)EBG結構也成為微波領域的一個新的

7、研究方向。例如在微波電路里可以用EBG結構來實現(xiàn)帶阻濾波器乳諧振器，可以抑制諧波吐提高放大效率物等；在天線方面可以用來實現(xiàn)拋物面天線反射面也可以加載于微帶天線用于抑制表面波進而改善天線方向圖等。20世紀90年代，美國學者Sievenpiper又提出了一種新型的EBG（ElectromagneticBand-Gap）W菇型結構，由于其對于某一頻段內的表面波具有高阻特性，又稱為高阻抗表面。這種結構擁有兩種特性，一是對在其表面上傳播的表面波（頻率位于其阻帶之內）具有一定抑制作用，或者說它不支持某一頻段的表面波的傳播；二是對于垂直其表面入射的平面波（頻率同樣需位于其阻帶之內）具有同相位反射的效果，即在

8、其表面上，反射波與入射波的相位基本沒有發(fā)生變化.而金屬表面會使反射波產生180。的相位變化，這些特性對于微波領域的發(fā)展有著非常重要的意義。本文在以EBG結構作為背板的基礎上，設計了一款收稿日«：2014-02-20微帶定向分形天線，有效降低了天線的整體剖面。圖2設計的EB(；姑構零反射相位帶2微帶分形天線的設計1EBG結構的設計作為本文研究的埴礎，對例菇型EBG結構按等效電路模型進行初始化設計.再應用基于時域有限差分方法的商業(yè)仿點軟件進行駛證。假設腭菇型EB(；結構的結構參數(shù)為：貼片的單元邊長為叭單元周期為，單元間的縫隙為g,金疽過孔的打徑為匕基板材料的厚度為，.介電常數(shù)為§

9、;,EBG結構示意圖如圖1(a)所示?？梢詫BG結構中的一個單元看成一個等效諧振電路，如圖1(b)所示，應用其變函數(shù)中保角變換的原理求解等效模型中的電容以及電感值.單元等效LC參數(shù)由式(1),(2)給出同：gog,u>h./shCrr(w'+g)/4,TT(sh(irg4f)C=-ot-ch'(a/g)TT(1)L=a°t*lr(、+%二直)+1.301825(2)式中：w,k參數(shù)一般取3左右。_IJ/.2.1采用普通金屬地作為背板的微帶分形大線設計“分形”這一概念由法國數(shù)學家B.Mandelbrot于1975年首次提出，分形兒何就是研究無限復雜而具有特定意義

10、下的自相似圖形和結構的兒何學氣近年來.分形技術在天線中的應用越來越廣泛.如增加天線的工作帶寬“啊、減小天線尺寸叫等。本文中分形結構的應用也適當減小了微帶天線的尺寸。所設計的微帶天線如圖3所示.由于單個單元的微帶貼片天線面積太小,不便于添加背板.故設計了一個2x2單元的微帶貼片分形天線。分形比«=£/=4.625,該天線厚度/»=1mm.貼片寬度/,=14.1mm,貼片間距d-18.6mm.饋線寬度W=2.65mm0背面為金足地.工作的中心頻率為5.8GHzo經過優(yōu)化后的天線S“和方向圖如圖4所示.此時天線的增益為11.5dBi,帶寬約為50M左右。(b)井聯(lián)LC結

11、梅圖IEBG磨糖型詁構示券圖實際應用中還需要進行優(yōu)化設計.特別是對于低頻或者窄帶應用。綜合理論與實際應用，設計了一個工作在5.8GHz的豚姑型EB(；結構.選擇介質基板的介電常數(shù)&,=2.65.基板叩度，=0.5mm,方形周期單.元貼片邊長”，=13.7mm,單元之間的縫隙g=0.4mm,過孔半徑r=1.7mm.構成了潸菇型EBG結構,對設計出的EBG結構通過波導法進行仿真計算.其結果如圖2所示。與其他大多數(shù)文點一致，本文中也定義反射相位在±90。之間的帶隙為反射相位帶隙，由圖2可見,在5.6-6GHz頻率范圍內，有明顯的零相位反射特性。根據(jù)仿真結果以及天線的匚作頻率，這里設

12、計的EBG膳菇型結構可以滿足設計要求。圖3微帝分形夭技詁構圖2.2采用EBG蘑菇型結構作為背板的微帶分形天線設計在保持天線其他參數(shù)不變的情況F.將前文設計的0.5mm9的EBG結構作為該天線的背板.同時將天線介質板的早度由1mm降低到0.25mm.并取消原天線的金屬地JHEBG背板代替緊貼于微帶天線之后使用頂饋的方式饋電，仿權的結果如圖5所示.此時天線的增益為10.8dBi,帶寬約為1()()M左右。圖4未加EBG背板的天殘方向圖迎S“曰圖5附加EBG背板的天成方向圖和S“3實驗驗證根據(jù)仿真結果.加工了實際的天線并進行測量，以驗證仿真結論。圖6分別為天線以及EBG背板的實物結構。圖6微帶分形大

13、線陣列與EBG背板實物圖利用微波暗室對分形天線陣列和其附加EBG結構的輻射方向圖進行了實際的測址.測試頻率為5.8GHz.并通過網絡矢ht分析儀對天線及其EBG結構進行了&的測址.其測試結果如圖7所示?？梢钥闯鲈诮档土颂炀€整體剖面的基礎上.方向圖的測試結果與仿套結果較一致.&稍稍有些偏移。4EBGS菇型背板微帶分形天線的輻射特性分析從表面阻抗的角度來分析.表面阻抗的表達式應為:Z.=EJH,電磁波入射到EBG結構的表面.必定會產生反射波.所以空間波實際上是二者的疊加。當使用普通金屬地時，此時的表面阻抗為Z.=(l+”/(阮),由于一般情況下5的數(shù)址級在10".而“的數(shù)

14、般級在10'°左右，所以Z.的幅度應在10"4左右，遠遠小于自由空間的阻抗7/(377Q).所以金廈表面的入射波與反射波的相位差了180。圖7測試與仿真詁果對比對EBG結構來說，在入射波的頻率接近單個單元的諧振頻率時,等效電路的阻抗會急劇升高,遠大于自由空間中的阻抗，故在其表面上入射波與反射波的相位差接近0。當入射波的頻率分別向高端與低端遠離諧振頻率時，Z.的幅度會逐步接近自由空間阻抗，當Z.的幅度達到自由空間阻抗時，則此時的相位差皿為”/2或-竹/2。由于本文設計的EBG結構的諧振頻率在5.8GHz左右，與微帶分形天線的工作頻率相當，所以在該段頻帶內EBG結構呈現(xiàn)

15、出零相位反射的特性，但由于表面的入射波并不全是平面波，所以需要經過一定的優(yōu)化，得到如圖7所示的較優(yōu)結果。通過兩種天線的仿真結果對比可以看出，使用EBG結構作為背板時增益比原天線略有降低，但帶寬略有增加。5結語本文將EBG高阻表面結構應用于微帶分形天線陣列，從仿真結果可以看出，將EBG結構應用于微帶分形天線陣列可以在維持原有性能基本不變的基礎上，有效降低天線的整體剖面。并對加工的實物天線進行了方向圖和S的測量，從而驗證了EBG結構用于微帶分形天線可以有效降低天線整體剖面這一結論。參考文獻1J鄭秋容，袁乃呂，付云起.緊湊型電磁帶隙結構在短路微帶天線中的應用J).電子與信息學報,2007,29(7)

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