一种加载EBG结构微带天线的应用

李灏一

【摘要】 本文设计了一种在微带贴片天线反射地板上加载EBG结构的应用方式，EBG结构由多个谐振单元组成，可灵活安装于天线反射地板上，基本不影响天线安装环境，在反射地板尺寸较小，谐振单元数量较少的情况下仍能较好的抑制后向辐射，优化了天线前后比。

【关键词】 微带天线 电磁带隙（EBG）

一、引言

电磁带隙（Electromagnetic Band gap，EBG）结构是一种人工周期电磁材料，具有同向反射特性和带隙特性。同向反射特性表现为EBG结构反射电磁波相位随着频率连续变化，可用于设计低剖面天线、隐身天线设计。而带隙特性表现为EBG结构能够阻止一定频带内电磁波传输，而对带外电磁波传输基本没有影响。微带天线由于重量轻、低剖面、易于共形、集成等特点得到广泛应用。但在实际应用环境中，由于受安装环境限制，天线前后比往往难以提升，造成天线后瓣可能产生越区覆盖。本文设计了一种加载EBG结构的微带天线，将EBG结构应用于微带贴片天线，通过带隙特性抑制表面波，减小天线互耦，优化天线性能。天线工作频率为4.2GHz，通过在天线地板上加载EBG结构，在不影响天线安装方式及尺寸的情况下，减小天线表面波，降低了天线后瓣电平，提高了天线性能。本文对加载EBG结构的微带贴片天线与普通微带贴片天线方向图进行了对比，天线及EBG结构采用HFSS微波仿真软件设计。

二、EBG结构设计

本文采用蘑菇型EBG（Mushroom-like EBG）对微带贴片天线进行加载。EBG结构见图1所示，由金属地板、贴片及金属连接柱组成，贴片间缝隙等效为电容C，金属连接柱等效为电感L，组成了LC谐振回路。

在本设计中，EBG结构介质基板为FR4，介电常数4.4。EBG单元尺寸见图2（a）所示，其中L1=4.5mm，L2=5.2mm，H=1.1mm，R=0.5mm。采用悬置微带线法对EBG周期结构进行仿真，通过在EBG结构上放置微带线，模拟EBG结构表面波传输情况，仿真结果见图2（b）。从仿真结果可以看出，EBG结构在4.2GHz处产生了明显谐振，出现了带隙特性。通过改变L1尺寸，调整缝隙大小，可调整EBG结构谐振频率。

三、微带贴片天线加载EBG结构

为验证EBG结构对微带贴片天线方向图影响，设计了一种低剖面微带天线，天线尺寸75mm×75mm。将微带天线反射地板替换为EBG结构，微带天线介质基板与EBG结构之间采用PMI泡沫（厚度1mm，介电常数1.08）隔开，以防止天线馈线与EBG谐振单元短路，完整天线形式如图3（a）所示。

通过HFSS微波仿真软件分别对微带贴片天线加载普通地板和加载EBG结构进行了仿真。仿真结果见图3（b）所示，实线为天线加载EBG结构，虚线为天线加载普通反射地板。从仿真结果可以看出，两种情况下天线前向方向图基本一致，而加载普通反射地板的微带天线后向电平值较大，而将EBG结构作为反射地板的微带天线由于带隙特性抑制了天线表面波传输，减少了14 dB以上后向辐射，提升了天线前后比。而EBG结构厚度为1.1mm，基本不影响天线安装环境。

四、總结

本文设计了一种加载EBG结构的低剖面微带贴片天线，EBG结构由多个谐振单元组成，工作在4.2GHz，EBG结构厚度较薄，可灵活安装于微带贴片天线反射地板上，基本不影响天线安装环境，在反射地板尺寸较小，谐振单元数量较少的情况下仍能较好的抑制后向辐射，优化了天线前后比，较大的提高了天线性能。

参 考 文 献

[1] F.Sievenpiper，High-Impedance Electromagnetic Surfaces.Ph.D.Dissertation，Department of Electrical Engineering，University of California at Los Angeles，CA，1999.

[2] Radisic V，Qian Y，Coccioli R，Novel 2-D Photonic Band-gap Structure for Microstrip Lines.IEEE Microwave and Guided Wave Letters，1998.8（2）：69-71.

[3] Fan Yang and Yahya Rahmat-Samii， Electromagnetic Band Gap Structures in Antenna Engineering.Cambridge University Press，2009.

[4] Lin Peng，Cheng-li Ruan，and Jiang Xiong，Compact EBG for Multi-Band Applicatons.IEEE Trans. Antennas Propagat.2012，60（9）：4440-4444.