采用EBG地的低剖面微带定向天线设计

许健　陈星

摘 要： 对具有金属地的微带定向天线，低剖面设计面临着工作频带窄的难题。采用蘑菇形EBG结构代替微带定向天线的常规金属地，利用EBG地对特定频率电磁波的同相反射特性，在保持天线工作频带条件下，缩减天线微带基板的厚度，实现低剖面设计。以一只工作频点为5.8 GHz的2×2微带阵列天线为例，该阵列天线的辐射单元采用分形结构以进一步提升天线带宽。仿真计算和实际测试表明：该微带阵列天线在采用低剖面设计后，微带基板厚度由原1.0 mm降至0.25 mm，而天线的定向辐射方向图、增益和工作带宽基本保持不变。

关键词： EBG； 分形结构； 微带天线； 低剖面设计

中图分类号： TN827?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）09?0058?04

0 引 言

随着国防航天等领域的不断发展，低剖面天线凭着体积小，重量轻等优点，能够有效降低相应成本，故得到了越来越多的重视。传统微带天线虽然拥有诸多优势，但也存在着频带窄、难以降低剖面等缺点。为了增加微带天线的频带，常用的方法有采用厚基板，采用介电常数较小的基板，附加阻抗匹配网络，采用多层结构，在贴片或接地板“开窗”等。

光子晶体是指具有一定光子带隙的一种人造周期性电介质结构[1]。其研究范围涉及到光学、电磁学、声学波段等，在微波和毫米波领域通常称其为电磁带隙结构。近年来，随着国内外的不断研究发现，EBG结构也成为微波领域的一个新的研究方向。例如在微波电路里可以用EBG结构来实现带阻滤波器[2]、谐振器[3]，可以抑制谐波[4]，提高放大效率[5]等；在天线方面可以用来实现抛物面天线反射面[6]，可以加载于微带天线用于抑制表面波[7]进而改善天线方向图等。

20世纪90年代，美国学者Sievenpiper又提出了一种新型的EBG（Electromagnetic Band?Gap）蘑菇型结构，由于其对于某一频段内的表面波具有高阻特性，又称为高阻抗表面。这种结构拥有两种特性，一是对在其表面上传播的表面波（频率位于其阻带之内）具有一定抑制作用，或者说它不支持某一频段的表面波的传播；二是对于垂直其表面入射的平面波（频率同样需位于其阻带之内）具有同相位反射的效果，即在其表面上，反射波与入射波的相位基本没有发生变化，而金属表面会使反射波产生180°的相位变化，这些特性对于微波领域的发展有着非常重要的意义。

本文在以EBG结构作为背板的基础上，设计了一款微带定向分形天线，有效降低了天线的整体剖面。

1 EBG结构的设计

作为本文研究的基础，对蘑菇型EBG结构按等效电路模型进行初始化设计，再应用基于时域有限差分方法的商业仿真软件进行验证。假设蘑菇型EBG结构的结构参数为：贴片的单元边长为[w，]单元周期为[a，]单元间的缝隙为[g，]金属过孔的直径为[d，]基板材料的厚度为[t，]介电常数为[εr，]EBG结构示意图如图1（a）所示。

可以将EBG结构中的一个单元看成一个等效谐振电路，如图1（b）所示，应用复变函数中保角变换的原理求解等效模型中的电容以及电感值，单元等效LC参数由式（1），（2）给出[8]：

[C=ε0wπch-1（ag）+ε0εrwπch-1sh（π（w+g））4tsh（πg4t）+ε0εrwππ2t2wlna+a2-d2d] （1）

[L=μ0t1πlna+a2-d2d+1.301 825] （2）

式中：[w=1-k2s2w2w，][k]参数一般取3左右。

图1 EBG蘑菇型结构示意图

实际应用中还需要进行优化设计，特别是对于低频或者窄带应用。综合理论与实际应用，设计了一个工作在5.8 GHz的蘑菇型EBG结构，选择介质基板的介电常数[εr=]2.65，基板厚度[t=]0.5 mm，方形周期单元贴片边长[w=]13.7 mm，单元之间的缝隙[g=]0.4 mm，过孔半径[r=]1.7 mm，构成了蘑菇型EBG结构，对设计出的EBG结构通过波导法进行仿真计算，其结果如图2所示。

与其他大多数文章一致，本文中也定义反射相位在±90°之间的带隙为反射相位带隙。由图2可见，在5.6～6 GHz频率范围内，有明显的零相位反射特性。根据仿真结果以及天线的工作频率，这里设计的EBG蘑菇型结构可以满足设计要求。

图2 设计的EBG结构零反射相位带

2 微带分形天线的设计

2.1 采用普通金属地作为背板的微带分形天线设计

“分形”这一概念由法国数学家B.Mandelbrot于1975年首次提出，分形几何就是研究无限复杂而具有特定意义下的自相似图形和结构的几何学[9]。近年来，分形技术在天线中的应用越来越广泛，如增加天线的工作带宽[10]、减小天线尺寸[11]等。本文中分形结构的应用也适当减小了微带天线的尺寸。

所设计的微带天线如图3所示，由于单个单元的微带贴片天线面积太小，不便于添加背板，故设计了一个2×2单元的微带贴片分形天线。分形比[n=Ll=]4.625，该天线厚度[h=]1 mm，贴片宽度[L=]14.1 mm，贴片间距[d=]18.6 mm，馈线宽度[W=]2.65 mm。背面为金属地，工作的中心频率为5.8 GHz。经过优化后的天线[S11]和方向图如图4所示，此时天线的增益为11.5 dBi，带宽约为50M左右。

图3 微带分形天线结构图

2.2 采用EBG蘑菇型结构作为背板的微带分形天线设计

在保持天线其他参数不变的情况下，将前文设计的0.5 mm厚的EBG结构作为该天线的背板，同时将天线介质板的厚度由1 mm降低到0.25 mm，并取消原天线的金属地，用EBG背板代替，紧贴于微带天线之后使用顶馈的方式馈电，仿真的结果如图5所示，此时天线的增益为10.8 dBi，带宽约为100M左右。

3 实验验证

根据仿真结果，加工了实际的天线并进行测量，以验证仿真结论。图6分别为天线以及EBG背板的实物结构。

图6 微带分形天线阵列与EBG背板实物图

利用微波暗室对分形天线阵列和其附加EBG结构的辐射方向图进行了实际的测量，测试频率为5.8 GHz，并通过网络矢量分析仪对天线及其EBG结构进行了[S11]的测量，其测试结果如图7所示。可以看出在降低了天线整体剖面的基础上，方向图的测试结果与仿真结果较一致，[S11]稍稍有些偏移。

4 EBG蘑菇型背板微带分形天线的辐射特性分析

从表面阻抗的角度来分析，表面阻抗的表达式应为：

[Zs=EzHy]

电磁波入射到EBG结构的表面，必定会产生反射波，所以空间波实际上是二者的叠加。

当使用普通金属地时，此时的表面阻抗为[Zs=（1+j）（δσ），]由于一般情况下[δ]的数量级在10-6，而[σ]的数量级在1010左右，所以[Zs]的幅度应在10-4左右，远远小于自由空间的阻抗[η]（377 Ω），所以金属表面的入射波与反射波的相位差了180°。

对EBG结构来说，在入射波的频率接近单个单元的谐振频率时，等效电路的阻抗会急剧升高，远大于自由空间中的阻抗，故在其表面上入射波与反射波的相位差接近0°。当入射波的频率分别向高端与低端远离谐振频率时，[Zs]的幅度会逐步接近自由空间阻抗，当[Zs]的幅度达到自由空间阻抗时，则此时的相位差[12]为[π2]或[-π2。]由于本文设计的EBG结构的谐振频率在5.8 GHz左右，与微带分形天线的工作频率相当，所以在该段频带内EBG结构呈现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，所以需要经过一定的优化，得到如图7所示的较优结果。通过两种天线的仿真结果对比可以看出，使用EBG结构作为背板时增益比原天线略有降低，但带宽略有增加。

5 结 语

本文将EBG高阻表面结构应用于微带分形天线阵列，从仿真结果可以看出，将EBG结构应用于微带分形天线阵列可以在维持原有性能基本不变的基础上，有效降低天线的整体剖面。并对加工的实物天线进行了方向图和[S11]的测量，从而验证了EBG结构用于微带分形天线可以有效降低天线整体剖面这一结论。

参考文献

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