一种采用电磁带隙结构地板的微带八木天线

曾文波,赵 嘉,黄庆南

(广西工学院电子信息与控制工程系,广西 柳州 545006)

1 引 言

八木天线由于具有体积小、结构简单、增益高等特点,在雷达和通信系统中得到了广泛的应用。基于微带结构的八木天线,由于同时具备了半波振子类天线的特点和微带结构的诸如体积小、重量轻、剖面低、具有平面结构以及易于与导弹、卫星等载体表面共形等优点,其研究也越来越引起了人们的兴趣。与普通边向辐射的微带帖片类天线不同,微带八木天线是端向辐射的,其最大增益方向可与微带基片的法线方向相垂直,并可以通过调整微带振子长度、数量以及振子间距等参数来改善天线的性能,特别是用于提高天线的增益。通常,可以通过增加引向器数量的方法来提高八木天线的增益[1],显然,这种方法是以增大天线的体积为代价的。

电磁带隙(Electromagnetic Band-gap,EBG)结构是一种人为的周期结构,主要是通过在一种材料中周期地加入另一种材料来获得。在微波频段,EBG结构具有很好的阻带特性,能很好地抑制一定频带内电磁波在其中的传播。近年来,将EBG结构引入到微带天线的设计中,用于抑制表面波、降低天线的副瓣、提高天线增益和前后比,国内外有很多文献报道,其相关研究也取得了很大的进展[2～4]。在阻带频率范围内,具有高阻抗表面(High-impedance Surface)的EBG结构对电磁波的反射具有同相位反射的效果,即对于垂直入射到EBG结构上的电磁波,其反射波和入射波相位是相同的,这一零反射相位特性类似于理想磁导体(PMC)材料,故带有高阻抗表面EBG结构的微波材料也常常被称为人工磁导体(AMC)材料[5]。在常规八木天线的设计中,有源振子和反射器的距离必须设置在0.15～0.25个波长之间才能获得最大的增益,而采用PMC材料或者AMC材料作为反射器,可以不受此约束,反射器可以和有源振子离得很近,这在天线的低剖面、小型化设计中具有十分重要的意义。

文献[5]提出了一种基于叉型微带贴片(Forklike Metal Patches)构成的EBG结构单元,并通过金属棒与地板短路的方法,实现了三维EBG结构。文献[4]采用该叉型微带贴片结构单元和与之共面的折弯金属带(MeanderedMetal Strip)相结合,构造了新的EBG单元和对应的一维EBG结构,并设计了基于该结构作为地板的微带半波天线。本文在此基础上,构造了新的二维EBG结构,并研究了其电磁传输特性,设计了一款采用该EBG结构作为地板和反射器的微带八木天线。此外,还研究了天线结构相关尺寸变化对天线阻抗特性的影响。

2 EBG结构及其特性

文献[4]提出的EBG单元结构如图1(a)所示,它由通过在介质基片上刻蚀叉型贴片和与之共面的折弯金属带构成。图中,hi和li分别为折弯金属带的总长度和总宽度,wi和gi分别为金属带宽度和间距,hc和lc分别为叉型贴片的总长度和总宽度,wc和gc分别为叉型贴片金属带的宽度及其间隙。相邻贴片缝隙间的电容C和折弯金属带的电感L分别构成EBG单元等效LC电路中的等效电容C和等效电感L。本设计构造的二维EBG结构如图1(b)所示。通常,可以用图1(c)所示的等效LC带阻滤波器模型来分析EBG结构的频率特性,并通过改变L和C的值,获得EBG结构的阻带频率范围。

图1 二维EBG结构示意图及LC等效电路Fig.1 Configuration of the proposed 2-D EBG structure and equivalent LC circuit

对于具体的微波介质材料,图1(a)所示的EBG单元,其等效电容C和电感L可由叉型贴片以及折弯金属带的相关几何参数决定,而EBG阻带的中心频率则由下式决定[5]:

为进一步研究上述EBG单元的电磁特性,引入悬置微带线方法[5],用电磁仿真软件HFSS对4×20EBG单元所构成EBG结构的电磁传输特性进行了研究。具体做法如下:在尺寸为90mm×85mm×1.5mm的双面FR4介质的一面刻蚀一条微带线,另一面刻蚀嵌有4×20EBG单元的地板。选取微带线宽度为2.8mm(对应特性阻抗为50Ψ),介质 εr=4.4,HFSS仿真模型如图2(a)所示。经反复仿真和优化设计,针对2.5 GHz的阻带中心频率,EBG单元相关几何参数为:hc=3.2mm,lc=2.8mm,wc=0.8mm,gc=0.4mm,hi=4.0mm,li=2.8mm,wi=0.3mm,gi=0.4mm。

图2(b)为4×20EBG单元S21的频率特性曲线。由图可见,S21≤-10dB的频率范围为 2.35～2.55 GHz,阻带中心频率为预期的2.5GHz。显然,该二维EBG结构在水平方向上有很好的阻带特性。

图2 4×20EBG单元电磁特性仿真Fig.2 Electromagnetic characteristic of 4×20EBG cells

3 天线的设计

3.1 天线的结构及工作原理

基于EBG地板微带八木天线结构如图3所示,天线采用上述提及的FR4介质材料,其总体宽度和长度分别为W和L,厚度为h。天线由天线辐射臂(尺寸为W2×L2)、引向器(尺寸为 W1×L1)以及带4×20EBG单元有截断面的地板和微带馈线构成,其中,引向器与天线上边缘距离为l1,辐射臂与引向器间距为 l2。天线臂、引向器和地板刻蚀在FR4材料的一面,另一面为微带馈线,有截断面的EBG地板同时又是天线的反射器。天线上下两层采用直径为0.6mm的金属通孔相联。为扩展天线的阻抗带宽,在金属通孔和50Ψ微带馈线之间,采用了二级阻抗变换,对应的微带线长度和宽度分别为LS2和WS2以及LS1和WS1。通过调节两臂间缝隙的宽度WG和长度LG,可使天线的两辐射臂相位差为180°,起到宽带巴仑作用[6]。此外,天线各部分尺寸设计的原则是使天线的谐振频率与EBG结构的阻带中心频率一致。采用HFSS软件,在实现良好阻抗匹配特性并兼顾提高天线增益的前提下,对天线进行了仿真设计,优化后样本天线的尺寸参数如下:L=90mm,W=85mm,W1=31mm,W2=54mm,WG=2mm,WS1=7.6mm,WS2=4.4mm,WS=2.8mm,L1=5mm,L2=12mm,LS1=12mm,LS2=16mm,LG=22mm,l1=10mm,l2=13mm,d=3mm。

图3 天线结构示意图Fig.3 Configuration of the proposed antenna

3.2 电气性能及分析

按上述尺寸加工了一副样本天线和一副尺寸相仿的对比天线,其中,对比天线结构和尺寸与样本天线完全一样,但采用普通金属地板作为反射器。为获得最佳增益,作为反射器的金属地板和辐射臂的距离必须在0.15λe～ 0.25λe之间(λe为介质波导波长),经仿真优化取D=14mm。天线输入端经SMA与电缆相联,采用Agilent 8753ES网络分析仪对样本天线和对比天线的阻抗特性进行了测试,输入端反射系数S11结果如图4(a)所示。显然,仿真和实际测试结果基本吻合。样本天线在2.3～2.75 GHz频率范围内,S11≤-10dB,相对带宽达18%。相应地,对比天线 S11≤-10dB频率范围为 2.3～2.6 GHz,相对带宽为12%。两个天线的中心频率都在设计的2.5 GHz上,说明EBG的引入对天线的中心频率影响不大,但能有效提高天线的阻抗带宽。图4(b)和(c)分别给出了天线在xoy平面和yoz平面仿真的增益方向图。显然,在两个平面上,样本天线方向图都比对比天线变窄,在主波束指向(y方向),样本天线的增益较对比天线要大。实际测试结果表明,样本天线在最大指向增益为10.1 dBi,而对比天线的实测增益为8 dBi。

图4 天线的电气性能Fig.4 Performance of proposed antenna

3.3 参数分析

影响天线阻抗及辐射特性的参数很多,这些参数包括辐射臂、引向器和地板的尺寸以及它们之间的距离等。为简化分析,本文重点仿真研究了EBG地板与辐射臂之间的距离d、两辐射臂间隙WG对天线阻抗特性的影响。

图5(a)和(b)是上述几何参数变化时,样本天线S11仿真得到的频率特性曲线。由图5(a)可见,d对天线S11的影响不大,不同的d值,S11极小值基本保持在中心频率上。但随着d的增大,S11极小值上升,相应的阻抗带宽减小,但变化缓慢。这一结果表明,采用EBG结构作为微带八木天线的反射器时,反射器与辐射臂的距离可以很小,同时该距离的变化对天线阻抗特性影响有限。这个特点在天线的小型化设计和加工中显然具有重要的指导意义。图5(b)表明,辐射臂间隙WG对天线阻抗特性具有明显影响,WG微小的变化会引起天线谐振点较大的偏移,阻抗特性也严重恶化。显然,WG直接影响到辐射臂的有效长度和微带巴仑的有效尺寸,出现这个结果是必然的。

图5 d和WG变化时天线S11频率特性曲线Fig.5 S11of the prototype antenna with different d and WG

4 结 论

本文构造了一种基于FR4介质材料的二维EBG结构,深入研究了该结构的电磁传输特性,设计了一款采用EBG结构为地板和反射器的微带八木天线。天线S11≤-10dB的相对带宽为18%,最大辐射方向增益达10.1 dBi。与相同尺寸用普通金属面做地板和反射器的对比天线比较,所设计带EBG地板天线的增益提高了约2 dBi,阻抗相对带宽提高了34%。此外,本文还对影响天线性能的主要尺寸参数进行了研究,所做的工作和结论对平面、高增益天线的设计具有很好的参考价值。

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