电磁带隙结构加载的微带天线仿真设计

孙斌++熊海亮

摘 要本文研究一种电磁带隙结构微带天线。分析电磁带隙结构的带隙特性，设计一个电磁带隙结构加载的微带天线，并进行仿真实验。仿真结果表明，将EBG 结构置于微带天线阵的底部作为微带天线阵列的金属反射板，有效地抑制天线表面波的传播，降低微带贴片天线后瓣，提高天线增益。

【关键词】电磁带隙 微带天线 后瓣

1 引言

随着光子晶体概念在电磁领域的发展，电磁带隙EBG（ ElectromagneticBandGap） 结构的特性研究在国内外得到广泛的关注近年来，电磁带隙结构在微波电路和微带天线方面得到越来越多的应用。电磁带隙结构微带贴片天线利用EBG 结构的禁带特性抑制表面波，增加天线辐射到空的电磁波能量，从而改善天线的辐射性能。资料显示，目前关于电磁带隙微带天线的研究有介质基板钻孔型、接地面腐蚀型、高阻抗表面型、紧凑结构型、夹层结构型等，都在一定程度上改善了天线的性能。本文研究电磁带隙结构应用于微帶贴片天线代替反射板， 它能很好地抑制表面波效应，从而降低天线背向辐射，提高天线增益。通过数值仿真可见其良好的效果。

2 天线仿真设计

2.1 电磁带隙结构

电磁带隙结构是指对特定频段内的电磁波产生阻带特性的一种周期结构。理论上，在这种结构中电磁波不能传播，而当电磁波照射到这种结构时会被全部反射，但反射波与入射波相位相同，不会产生互相抵消的现象。因此将这种结构用于微带天线时，天线的辐射性能可以得到改善。

本文采用的EBG 结构为Sievenpiper 提出的Mushroom 结构，它是由一组金属贴片在介质基板上排列得到的，金属贴片通过每个贴片中心的垂直导电孔与介质基板下面的金属板地面相连，其结构示意图如图1 所示。

这种结构可由并联LC 等效电路模型等效，由估算的等效电容和电感可得到EBG 结构的谐振频率，单元等效参数为：

其谐振频率。式中p 为贴片单元周期长度，w为方形贴片单元长度，w为贴片单元间隔，t 为介质板厚度，为介质板相对介电常数，μ为等效介电常数。

本文设计的微带天线频率为1.8GHz，通过计算和优化仿真，最终得到EBG结构参数：采用基板相对介电常数为Er=6，厚度t=2mm，贴片单元周期p=31mm，贴片单元长度为w=30mm，过孔直径为0.5mm。

2.2 加载EBG结构的微带天线

加载EBG结构的微带天线阵如图2所示。加载EBG 结构的微带天线阵包含两个部分，上层天线介质基片未矩形微带贴片天线，微带天线阵为2x2阵列，采用介质板厚度为2mm，相对介电常数为6，4个微带贴片天线采用侧馈形式通过功分器合成输出，合成输出端采用同轴馈电形式（背馈）。下部分为EBG结构，位于底部作为天线阵反射板，同时底部开孔便于背馈同轴连接器连接。

通过仿真优化计算，得到加载EBG结构的微带天线阵方向图，结果如图3所示。

通过与普通天线阵对比发现，加载EBG 结构后，主要对E 面的旁瓣和后瓣抑制效果非常明显，E 面方向图旁瓣及后瓣减小4dB，同时天线阵前向增益增加0.5dB。仿真显示加载EBG 结构能有效抑制天线阵的表面波，降低天线旁瓣及后瓣，提高天线阵的增益。

3 结论

本文研究了EBG 加载方式对微带天线阵性能的影响。仿真计算表明所设计微带天线阵由EBG 结构作为天线的金属反射板，降低天线背向辐射，提高天线增益，有效地提高了微带天线阵的性能。下一步需要进行实物的验证测试，从而证实其实际效果。

参考文献

[1]林昌禄等.天线工程手册[M].北京：电子工业出版社，2002.

[2]李有权等.新型电磁带隙结构加载的微带天线阵[J].国防科技大学学报，2010.

作者单位

武汉滨湖电子有限责任公司 湖北省武汉市 430205