浅谈电磁带隙结构加载的微带天线仿真设计

2020-01-01吴峻岩马成睿

数字通信世界 2020年2期

吴峻岩，马成睿，陶琴

（1.空军预警学院，武汉 430019；2.94639部队，南京 211599）

0 引言

现阶段，电磁领域不断发展，人们对光子晶体概念更加关注。这就使得电磁带隙结构，即EBG结构的研究更加多样。近几年来，国内外的相关研究人员对于EBG结构更加关注，研究更加深入，应用也较为广泛。在微带天线以及微波电路方面，对于EBG结构的应用更加普遍。电磁带隙结构加载微带天线主要是利用了EBG结构中禁带的特性完成对于表面波的抑制工作，提升了天线辐射的电磁波能量，使得天线的辐射性能得到改善。本文对电磁带隙结构加载的微带天线进行仿真设计，并对其结果进行分析，为相关研究人员提供参考。

1 EBG结构分析

1.1 EBG结构单元的分析

二维的EBG结构有着表面抗阻的特点，所以又被称作高阻抗表面结构。EBG结构的主要有四个部分：接地板、介质基板、金属过孔以及金属贴片，结构较为紧凑。通常情况下，相比与工作波长，EBG结构的单元尺寸会更小，因此其特性可以利用等效的电路模型进行分析与描述。LC并联谐振电路就能够作为EBG结构的等效电路模型。一旦EBG结构与天线辐射所产生的电磁波相互作用时，就会在EBG结构单元中产生一定的感应电流，使得相邻的结构单元的边缘部分产生电荷，并形成电容。这意味着EBG结构等效电路模型的电容主要来源于EBG结构与其相邻金属贴片之间的缝隙边缘的电场；EBG结构等效电路模型的电感来源于EBG结构中接地板与顶层金属贴片之间的电流。

设定w为EBG结构中金属贴片的宽度、g为该结构中金属帖片之间的距离、a为金属过孔的间距、t为EBG结构介质基板的厚度、εr为EBG结构的相对介电常数、ε0代表真空介电常数、μ0代表真空磁导率，由此，利用公式能够求得EBG结构等效电路，也就是LC并联谐振电路的阻抗值Z；利用公式能够求得EBG结构等效电路模型的谐振频率w0；利用L=μ0t以及能够求出EBG结构等效电路模型的L与C的数值[1]。由以上计算能够发现，当EBG结构的频率趋近于w0时，Z的值趋近无穷大，使得表面波的传递得到抑制。

1.2 EBG结构的参数对带隙特性的影响

EBG结构中的金属贴片距离、金属贴片宽度、介质基板的相对介电常数以及厚度对于带隙机构的特性都有一定的影响。在EBG结构单元实际的加工中，对于金属过孔有着较为严格的规定，其直径要小于1mm。EBG结构带隙特性的变化情况进行分析时，可以使用EBG结构参数与反射相位之间的关系进行研究。利用FDTD方法，可以发现当EBG结构中的金属贴片宽度减少时，带隙的宽度降低；当介质基板的厚度增加时，带隙的宽度也有所增加；当金属贴片之间的距离增加时，带隙的宽度也有所增加。

2 电磁带隙结构加载的微带天线仿真设计

2.1 加载EBG结构的微带天线仿真设计

基于上文中对EBG结构的分析，笔者对EBG结构单元进行了设计，将其的带隙中心频率设定为5.75GHz。依照EBG结构的等效电路模型，并结合上文中所涉及到的四个公式，能够计算出该EBG结构单元的各项参数如下：g=0.015λ0；w=0.167λ0；εr=2.20；t=0.03λ0。这其中，λ0代表着微带天线的工作波长。通过FDTD方法以及色散模式法对该EBG结构单元的反射相位以及能带结构图进行分析与计算，能够得出，反射区对应的高端频率为6.3GHz；反射区对应的低端频率为5.2GHz；反射相位的中心频率为5.82GHz。这些数据与该EBG结构单元的能带结构图保持一致，意味着这一反射区间的频率范围就是该EBG结构单元表面波带隙的频率范围。

2.2 天线模型与参数分析

依照上文对EBG结构单元的特点以及设计进行分析，笔者对以Rogers RT/duroid5880（tm）为基板的材料、工作频率保持在5.75GHz、天线的辐射口径出加载了介质窗的EBG结构微带天线进行了设计，控制D=0.31λ0为EBG结构微带天线的正方形金属贴片天线宽度；控制EBG结构微带天线的基板厚度在贴片天线衬底厚度的1/2。同时，在贴片天线的实际工作中，使用同轴馈电的方式，并设定（3.7mm，0mm，0mm）为该同轴馈电的坐标[2]。

3 仿真结果分析

笔者使用了HFSS电磁仿真软件对加载EBG结构的微带天线以及普通微带天线进行了仿真分析。结果显示，在工作频率附近，两者均得到了相对较低的回波损耗。相比较来说，加载EBG结构的微带天线有着更加明显的宽带优势，最高能够达到450MHz。经过仿真分析能够得出，加载EBG结构的微带天线能够有抑制表面波，相比与普通微带天线的抑制效果更好。加载EBG结构的微带天线，在E面的后瓣以及旁瓣有着较为明显的表面波抑制作用，普遍减小了4dB左右。于此同时，加载EBG结构的微带天线的前向增益提升了0.5dB。可以说，相比于普通微带天线，加载EBG结构的微带天线性能更好。