基于EBG结构的电磁偶极子天线

本文分析了电磁偶极子的基本原理，并设计了60GHz电偶极子天线；通过在电磁偶极子天线周围加电磁带隙结构（EBG结构），在较大的频带范围内，使得天线的反射系数和增益有了较为明显的提高。

1. 引言

为了满足人们对高速数据、图像和多媒体等宽带业务日益增长的需求，宽带接入技术受到了广泛的关注，ROF系统及其网络在国内外迅速发展，也促使无线系统提高射频载频频率以获得更高的带宽。而目前ROF技术研究的频率范围主要是60GHz的毫米波频段，60GHz的信号在空气中衰减很厉害，因此，高增益和高效率的大带宽天线技术成为60GHz毫米波通信系统的关键技术之一。

在上世纪七十年代，由一个电偶极子和一个缝隙天线构成的若干互补天线被设计出来。在微带贴片天线还没有发展应用之前，缝隙天线被用于实现磁偶极子。这些天线在辐射方向图和带宽上有优异的表现。

电磁带隙结构，简称EBG（ElectromagneticBandgap）结构，源于光子晶体结构，可以认为是光子晶体（Photonics crystal）概念在微波频段的推广。1987年， 来自美国贝尔实验室的E.Yablonovitch和来自Princeton大学的S.John在讨论如何抑制自发辐射和无序电介质材料中的光子局域谐振时，各自独立提出了光子晶体的概念[2]。光子晶体具有显著的光子带隙（Photonic Bandgap，PBG）特性，根据 Maxwell方程组的尺缩关系，PBG结构所具有的特性也适用于微波和毫米波领域。因此光子晶体结构在微波和毫米波领域得到了广泛的应用，并最终开始使用EBG这个术语。EBG概念的明确提出是在文献[3]中，“概括地说，电磁帯隙结构是指人造的周期性结构（有时也是非周期的），能够阻止或者促进特定频域内所有入射波和所有极化状态的电磁波的传播”。20世纪90年代末期，提出了两种EBG结构，一种是蘑菇型的EBG结构，另一种为平面紧凑型电磁带隙结构电磁带隙结构具有两个显著的特性：一是阻止特定频率内电磁波的传播，即表面波带隙特性；二是对入射的平面电磁波具有随频率变化的反射相位，即反射相位特性。

电偶极子天线在整个工作带宽有着良好的辐射图形。然而，沿着天线辐射贴片产生的表面波会导致增益下降。一个备受欢迎的提高增益的办法就是在天线周围加载电磁带隙结构。电介质材料的内在特性有助于提高天线增益。本文中，把EBG结构加载在60 GHz的电磁偶极子天线周围，用于提高天线的增益。

2.电偶极子天线的设计

2.1电磁偶极子天线的基本原理

电磁偶极子天线单元的结构如图2所示，由两个水平方向的金属贴片形成电偶极子，两个垂直方向的平行金属贴片短接到系统接地平面从而实现四分之一波长贴片天线，同时形成磁偶极子。通过将电偶极子和磁偶极子以特定的位置放置，可以便于控制两个互补源的幅度和相位。我们知道，电偶极子的E面方向图呈8型，H面方向图呈0型，而磁偶极子的E面方向图呈0型，H面方向图呈8型。虽然他们在各自的两个极化面内方向图不一致，但是他们的方向图形状基本相同，具有良好的互补性，只是电场磁场互换了位置。因此，将电偶极子和磁偶极子相结合，使他们在E面和H面的方向图相互补偿，使天线在不同极化面内的方向图相一致，从而使天线具有较低的交叉极化和工作频段内稳定的增益。

3基于EBG结构的电偶极子天线设计

3.1 EBG结构的设计

EBG的结构示如图1所示，使用Rogers RT/duriod 5880 介电常数εr = 2.2，厚度 h=787mm，损耗为tan= 0.02的介质作为基片。EBG结构可等效为LC谐振电路，其中电感L由流经金属贴片的电流产生，而电容C由相邻单元格之间的间隙相互作用产生。它们可以表示为

其中，为有效介电常数，f为谐振频率，f=1/（2）。为了将EBG调整到想要的谐振频率，EBG的尺寸调整为D=1.9mm，t=0.065mm，m=0.27mm，a=0.04mm ，la=1.3mm。

图6展示了天线1，2和3的反射系数的比较。可以观察到，天线1的反射系数作为天线3与50至70千兆赫的33%以上宽阻抗带宽和天线2中的阻抗带宽同样是从50到68千兆赫降低到31%。所有这些情况下，可以覆盖60GHz的频段

天线的增益特性如图7所示， 与天线1（无EBG）相比，除了新的共振频率附近区域，天线2的增益更高。这主要是因为，由强耦合所产生的谐振频率使得电流分布不能被集中在辐射贴片。因而，EBG结构应该与辐射贴片放的足够远，以避免与天线的强耦合。正如天线3，平均增益是11 dBi的，它的增益在整个工作频带都比天线1高。最大增益是从7.7增强到11.7 dBi，并在最大辐射方向上得到的4 dB增益的提高。因而，可以通过在合适的距离围绕天线辐射贴片放置EBG结构，使得天线增益得到改善。

4.结论

本文设计提出了基于EBG结构的60 GHz的电磁偶极子天线。在，增益11Dbi

处获得了超过33%的阻抗带宽（50-70 GHz）。揭示了在最大辐射方向，围绕天线辐射贴片放置EBG结构对天线增益有4 dB的提升。该天线在智能无线电过光纤系统有巨大的潜在应用。

（作者单位：咸阳师范学院）