基于EBG的低剖面弱耦合PIFA天线

张小刚+曹军+郑灵+金谋平+李佩

摘 要：本文阐述了一种新颖的低剖面弱耦合PIFA（平面倒F天线）天线设计方法。该方法利用EBG（电磁带隙）结构的高阻抗表面特性降低天线剖面、利用带阻特性降低阵列天线单元之间的耦合强度。基于此方法，设计了一种共面紧凑型EBG结构，该EBG结构在带内具有HIS（高阻抗表面）特性，同时具有带阻特性。仿真数据显示，通过在PIFA天线反射板上刻蚀该EBG结构，可以有效降低PIFA天线剖面高度，降低天线单元间耦合强度。结果表明，该设计方法原理简单、实施有效，对低剖面天线的设计具有十分重要的意义。

关键词：EBG；PIFA；高阻抗表面；耦合

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.011

1 引言

因PIFA天线（Planar Inverted-F Antenna）具有体积小、重量轻、可内置、易于加工等特点被广泛应用于个人移动终端[1]。随着个人移动通信的快速发展对PIFA天线的小型化提出了更高的要求，传统的小型化天线手段已不能满足要求。而近年来，新型电磁功能材料的研究发展使得进一步降低PIFA天线剖面成为可能[2，3]。

本文以此为研究背景，阐述了一种基于EBG结构HIS效应降低天线剖面高度的方法，并利用EBG的带阻效应降低阵列中PIFA天线的耦和强度。设计了一种基于EBG结构的新型PIFA天线，仿真结果表明，该设计方法降低PIFA天线的剖面高度隔、提高隔离度有效。

2 PIFA天线设计

PIFA天线由辐射面、短路臂、馈电点和地板等组成，如图1所示。影响PIFA天线的性能的结构参数主要有：辐射面的尺寸（ L 和W ）、短路臂的尺寸及位置、馈电点的位置及孔径尺寸、地板的尺寸等。大量仿真及实验表明，辐射面的尺寸（ L 和W ）与中心工作波长λ满足经验公式λ= 4 （W +L ）；短路臂的数量越多、半径越大，天线的有效带宽也越大，但中心频率会偏移；地板作为PIFA 天线的参考平面，尺寸也是越大越好。但考虑到实际制作的可行性， 它的尺寸影响天线的谐振频率、带宽、增益和输入阻抗等特性。

由于PIFA贴片终端和地板之间形成了辐射缝隙，边缘场兼顾着储能和辐射的作用。当普通金属板用作天线的地板时，由于金属板对电磁波的反射相位相反，为了保证有效的辐射，它与天线之间需要约λ/4的距离，扩大了天线结构的体积；同时，增加了在有限尺寸接地板边缘的绕射、使得天线隔离度变差。当EBG地板引入后，一方面，高阻抗表面的同相反射特性又能减小反射板与天线之间的距离[4]。另一方面， EBG结构的带隙效应，能够减小天线的绕射效应、抑制表面波的激励，提高天线的隔离度[5]。

3 EBG结构设计

EBG结构，是一种人造周期结构，主要通过在一种介质中周期性的加入另一种介质来获得。高阻抗面是一种EBG结构，一般由金属或介质单元组成，能够抑制一定频率范围内的电磁波在其中的传播。用作天线地板的高阻抗表面因具有同相反射特性可以减小反射板与天线之间的距离，通常认为，反射相位在 90°±45°范围内的频率段被称作反射相位匹配频段[6]

本文设计了一种共面紧凑型EBG结构，如图2所示，该结构具有结构简单、易于加工等特性。利用全波仿真软件HFSS计算其反射相位，如图3所示，从图中可以看出，在2.3GHz-2.76GHz内，反射相位在 90°±45°范围内；其阻带特性见图4，阻带中心频率位于工作频带内。

4 EBG-PIFA天线设计

本文设计的天线结构如图5所示，在PIFA天线的地板中刻蚀图2所示的EBG结构，来进一步改善天线的特性。表 1给出了该小型化低剖面PIFA天线的具体尺寸参数。

根据优化仿真结果表1所得数据，高阻抗EBG结构的加入天线剖面降低了PIFA天线的剖面，高度H为14mm，约为十分之一个中心波长。

EBG-PIFA天线的S参数仿真结果见图6。从图中可以明显观察到加载EBG结构后，天线单元的回波损耗（S11）没有太多变化，但两个单元的隔离度（S21）提高了约10dB，说明EBG结构的加入有效抑制了天线之间的耦合。

EBG-PIFA天线的辐射方向图见图7，相比无EBG结构的方向图，边缘副瓣电平有所降低是因为EBG结构提高了单元的一致性；相较于金属地板，背瓣略微抬高，这是由于EBG地板存在镂空结构，但对方向图的影响有限，实际工作可接受。说明EBG结构的引入，降低了天线剖面，提高了天线的隔离度，改善了天线的辐射特性。

5 结论

本文首先针对无线系统中PIFA天线，提出一种降低剖面高度、提高隔离度的天线设计方法，该方法基于EBG结构特有的高阻抗表面特性与带阻特性。接下来，基于该方法，设计了一种在工作频段内具有表面阻抗特性与带阻特性的EBG结构，并将其替换掉PIFA天线的地板。最后，通过全波仿真软件仿真了加载EBG结构的PIFA天线，结果显示EBG结构的引入，降低了天线剖面，提高了天线的隔离度，改善了天线的辐射特性，验证了设计的正确性。

参考文献：

[1]樊明延，张雪霞，冯正和.移动通信中小天线技术新进展[J].通信市场，2003（06）：80-82.

[2]R.F.J. Broas， D.F. Sievenpiper， E. Yablonovitch， “A High-Impedance Ground Plane Applied to a Cellphone Handset Geometry”， IEEE Trans. MTT， Vol. 49， NO. 7， 2001， pp. 1262-1265.

[3]Chattha H T， Huang Y. A Study of Parameter Changes on the Characteristics of Planar Inverted F Antenna[J].Antennas and Propagation， March 23- 27， 2009， 370- 373.

[4]F.Yang， K.Ma，Y.Qian，and T.Itoh，A Uni-Planar ComPact Photonic-bandgap（UC-PBG） Structure and Its Application for Microwave Circuit. IEEE Trans. Microwave Theory Tech，1999，47（08）：1509-151.

[5]R.Gonzalo，P.Maagt，M.Sorolla，“Enhanced Patch-Antenna Performance by Suppressing Surface Waves Using Photonic-Band-gap Substrates”，IEEE Trans.MTT，Vol.47，No.11，1999：2131-2138.

[6]Yang F.and Rahmat-Samii Y.， Reflection Phase Characterizations of the EBG Ground Plane for Low Profile Wire Antenna Applications. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2003，51（10）：2691-2703.

作者简介：张小刚（1984-），男，河南安阳人，博士研究生，工程师，主要从事天线理论与技术、微波理论与技术研究。