高增益电磁带隙结构微带天线设计*

王素玲

(新乡学院 机电工程学院，河南 新乡 453003)

1 引言

做为通信终端的门户，天线的辐射性能是射频工程首先需要考虑的问题。微带天线因制作简单、轮廓低、易于集成、价格便宜，成为便携式通信终端的首选，尤其在模块化的移动终端，微带天线更是具有不可替代的信号收发作用。微带天线的增益、辐射瓣图、辐射效率等技术指标直接影响移动终端的信号质量和射频电路的复杂程度，改善微带天线的辐射性能成为射频电路的重要研究课题。

电磁带隙(electromagnetic band-gap，EBG)结构[1,2]是一种仿晶格的周期性电磁结构，电磁带隙结构与光子晶体有非常密切的关系，微波波段的光子晶体称为电磁带隙结构。光子晶体与电磁带隙结构的电磁行为在某些方面非常相似：科学家观察到在特定的频段二者均会出现禁带区，即在特定的频带，电磁波不能传播。利用电磁带隙结构的禁带特性可以减小天线组的尺度，其基本原理是电磁带隙结构能有效消除或减弱表面波，从而减少微波信号间的互耦[3-6]；还可以利用其带阻特性制作滤波器、移相器等常用微波器件；在电磁兼容技术中，电磁带隙结构常常被设置成隔离装置以减小不同电气设备的互相影响。可以说，电磁带隙结构的出现不仅具有一定的理论意义，也给小型化微波器件带来了新思路和新手段。本篇论文主要讨论电磁带隙结构在微带天线系统中的应用，通过合理的布局有效减小二者的互耦，提高微带天线的增益。

2 电磁带隙提高天线增益原理分析

2.1 电磁带隙结构的禁带特性

典型的电磁带隙为蘑菇型结构[1，2]，通常用敷铜双面或者多面印刷线路板制作，根据工程需要，可以把电磁带隙排列成一维形式或者二维的平面型结构。当电磁带隙结构被用作低轮廓天线的反射基板时，由于需要足够大的反射板面积，电磁带隙常常被制作成二维结构，做移相器或者滤波器使用时，则以一维的形式出现。图1所示为一维蘑菇型电磁带隙结构。双面印刷板的下表面为电磁带隙结构的地表面；印刷线路板上表面为刻蚀贴片阵列，贴片阵列的每个单元通过导电过孔与地平面相连。图1(a)所示为经典的蘑菇型电磁带隙的俯视图，正方形金属贴片的边长为w，相邻两个贴片的间距为g，在贴片的中心设置金属化过孔。

(a)俯视图和剖面图 (b)单元等效电路

BW=f1-f2

其中，L0为一个单元的等效电感，Lsh为过孔的等效电感，C0为等效传输线的电容，Cs为相邻贴片缝隙间等效电容。

2.2 电磁带隙结构实现高增益天线原理

图2所示为常见的加载电磁带隙微带天线的布局图，双面印刷线路板的中心区域为微带天线，电磁带隙结构包围其四周，形成嵌入式微带天线。当馈电设置在x轴方向时，电磁辐射为水平线极化，电磁辐射主要集中在微带天线的两个边a1和a2，印刷线路板的地平面为电磁场反射面，地平面越大，电磁波的反射越强，天线的后瓣越小，集中在前瓣的电磁能量越多，微带天线的增益越高。

图2 电磁带隙结构与微带天线布局

从上述分析可知，微带天线的增益与天线尺寸的关系极其密切，为了增加微带天线的增益，必须增加反射板地平面的面积，因此，高增益和便携式小型化成为一对矛盾，射频工程中常常需要在二者间进行取舍和折中。电磁带隙结构为解决该问题提供了新的思路：图2中，周期性结构的电磁带隙可以阻止禁带区的电磁信号传播，也就是说当频率适当时，电磁带隙结构在微带天线的周边形成一堵“电磁墙”，该“电磁墙”把微带天线介质中的电磁能量限制在一定的区域，使得电磁能量更为集中，实现微带天线的小型化和高增益。

3 加载电磁带隙的微带天线

上述分析可知，理论上通过加载电磁带隙结构提高天线的增益是可行的，但是，在射频天线设计中仍存在许多问题。

3.1 加载电磁带隙的微带天线的辐射频率

仿真采用Ansoft公司的高频仿真软件HFSS13加载电磁带隙的微带天线如图3(a)所示，中间为微带天线，x轴同轴馈电，沿着y轴方向设置两列蘑菇型贴片，每列3个单元，共6个结构单元，x轴方向没有设置蘑菇型单元，蘑菇型电磁带隙的侧视图如图3(b)所示，相邻两个单元中间的缝隙用g表示，贴片的宽度用w表示，p表示电磁带隙结构与微带天线之间的缝隙，h为印刷板的厚度，蘑菇型电磁带隙的单元贴片通过金属化孔与敷铜印刷板地平面相连。

(a) top view

为了说明耦合产生的双频辐射现象，文中给出加载电磁带隙后散射参数的变化情况如图4所示，图4中横轴为微波的频率，纵轴为散射参数S11，微带天线与电磁带隙结构的间距p=0.4mm，不难看出，加载电磁带隙的微带天线系统存在两个辐射频率，分别位于1.96GHz和2.2GHz，将此图与未加载电磁带隙结构的散射曲线相比较，加载电磁带隙结构的微带天线系统：(1)原来的辐射频率发生移动，辐射频率由原来的2.22GHz移动到2.2GHz，辐射频率减小0.02GHz；(2)在1.96GHz出现了新的辐射频率点。

图4 电磁带隙激发新的辐射频率

保持电磁带隙结构中蘑菇型贴片的大小不变，改变缝隙间隔，观察频移。笔者做了大量的电磁仿真，部分结果列于表1，用以说明辐射频率的移动规律。表中选择的电磁带隙贴片尺度为10mm×7mm，仿真中贴片与微带天线的最小间距p=0.2mm，按照0.1mm的步长逐渐增加其间距。表中显示，随着间距g的增加，辐射频率f1呈增长的趋势，但是，当间距g增长到一定的程度(表中约1.6mm左右)时，频率出现滞涨态势，基本稳定在2.08GHz，继续增加间距，辐射频率f1呈现出左右摇摆的特点。

表1 天线辐射频率的变化

把图3(a)中蘑菇型电磁带隙的方向旋转90度，即使其沿着x轴方向呈周期性排列，并设置其分列于微带天线的两边，重复上述仿真，仿真结果虽有所不同，但天线的辐射频率同样发生了变化，为避免重复，此处不再给出其散射参数的仿真曲线。

综上所述，无论电磁带隙结构加载在水平方向还是加载在垂直方向，加载电磁带隙结构的微带天线均存在两个辐射频率，其中一个辐射频率与未加载之前的微带天线的辐射频率非常接近，该辐射频率可以解释为微带天线本身的辐射效应；另外一个辐射频率总是小于微带天线本身(单独存在时)的辐射频率，该辐射频率可以认为是电磁带隙结构与微带天线互相作用的结果：根据微波辐射理论，辐射体的尺度越大，对应的辐射频率越低，由此推出两个辐射频率中数值较低的辐射是由更大尺度的辐射体引起的辐射效应，考虑到电磁带隙结构与微带天线间缝隙足够小，二者间的耦合不可忽略，新频率可以认为是电磁带隙结构和微带天线的共同辐射，电磁带隙结构的存在相当于增加了微带天线的面积，因此出现了频率更低的辐射。简而言之，电磁带隙的存在相当于增加了微带天线的尺度，因此出现了更低频率的辐射。

3.2 电磁带隙结构与天线间距对增益的影响

采用商业软件HFSS13进行仿真。电磁带隙结构的基板设置为双层印刷线路板，介质基片材料设置为Rogers RT/duroid 6010，相对介电常数εr=10.2，厚度h=2mm，双面覆铜板，下表面为地平面，上表面为正方形的蘑菇型电磁带隙结构。仿真结果如图5所示，图中，较粗的实线表示未加载电磁带隙结构的天线的E面瓣图，其增益为Gain=4.59dB； 加载电磁带隙后，当微带天线与电磁带隙结构的缝隙p为0.2mm时，天线E面瓣图如图5中线型较细的虚线所示，其增益为Gain=3.40dB。二者相比，加载电磁带隙的微带天线增益不但没有提高反而减小1.19dB。改变间隙p的大小，间隙不同时天线系统的增益如表2所示。

图5 加载电磁带隙的微带天线的增益变化

表2 加载电磁带隙结构的天线增益

综合图5和表2的仿真结果，与未加载电磁带隙的微带天线相比，加载电磁带隙微带天线的增益并非像预期一样出现大幅上升，反而出现了增益下降的情况。

4 高增益天线的设计与仿真

4.1 加载电磁带隙的高增益天线仿真

从上述仿真结果可以看出，电磁带隙和微带天线间的耦合将在两个方面影响天线的性能：辐射频率和天线增益。设计出高增益小型化的天线，必须尽量减小天线和电磁带隙间的耦合。根据微带天线理论，微带天线激发的内电磁场主要集中在印刷线路板的介质基片中，对于同轴馈电的微带天线，其电磁场的分布与场点到馈电点的距离有关，靠近馈电点的场点电磁场较强，远离馈电点的场点电磁场较弱，在天线贴片的边沿，由于电磁传播条件发生突变，将激发出向空中辐射的电磁波，辐射主要发生在天线贴片的边沿，也就是说，图2中正方形贴片的两个对边a1和a2区域将会有强度较大的电磁辐射，而沿着x轴方向，在x大于a2或者小于-a2区域，即贴片边沿外延的区域，电磁场将迅速衰减。电磁带隙与微带天线间的耦合与介质中的电磁场强度密切相关，电磁场强度越大，耦合效应越明显，因此，合理设置电磁带隙结构的布局，可以抑制二者的耦合效应。

减小二者之间的耦合有许多方法，本文采用合理设置微带天线与电磁带隙间距的方法。如果二者间距设置过小，二者的电磁耦合将很强，电磁带隙的存在不仅不能提高天线的增益，反而使其增益下降；如果天线与电磁带隙间的间距设置过大，虽然可以减弱二者之间的耦合，但电磁带隙起不到增加天线增益的效果，存在的意义不大。本文通过大量的仿真，发现设置合理的间距，才能使电磁带隙既不影响或不严重影响微带天线的辐射频率又能提高天线系统的增益。

仿真采用图6所示结构，介质采用Rogers /RT Duroid 6010, 其相对介电常数为10.2，微带天线为常用的正方形贴片，尺度为10 mm×10 mm，同轴馈电，馈电点在x轴上，坐标为2.94 mm，印刷板的下表面为天线的地平面，大小为60mm×60mm，电磁带隙为常规的蘑菇型正方形结构，每个单元贴片的大小为6mm×6mm，电磁带隙结构中相邻贴片的间隙g设置为0.2 mm，在每个正方形贴片(patch)中心设置金属化过孔，过孔的半径r设置为0.2 mm，金属化过孔的高度与介质基片厚度相同，均为2 mm，沿着x轴方向，设置上下两行电磁带隙结构，每行设置7个单元，两行共14单元；y轴方向同样设置两列电磁带隙结构，每列6个单元，两列12个单元；水平方向与垂直方向共计设置26个单元，形成围合式结构。在水平x轴方向，微带天线与电磁带隙之间的间距沿着x轴正方向与负方向的间距相同，均为6.2mm，而y轴方向的设置则采用上下不同的间距，上间距(y正方向)间距较大，为12.2mm，下间距(y轴负方向)间距较小，为6.2mm。

图6 高增益天线结构示意图

仿真结果见图7、图8。天线辐射的中心频率f=2.25GHz，在该频率点其散射参数S11=-24.9dB，增益Gain=5.212dB。把该天线的增益与未加载电磁带隙的微带天线增益3.4dB相比，天线的增益增加了1.812dB。因此，当间距设置合适时，围合式布局的电磁带隙微带天线，能够在原来的辐射频率附近辐射并且具有较高的天线增益。

图7 围合式电磁带隙微带天线的辐射频率

图8 高增益天线的辐射瓣图

4.2 三种布局的增益比较

在加载电磁带隙结构的微带天线研究中，见诸报道的布局多设计成围合式，即在微带天线的四周加载电磁带隙结构，以期形成一个封闭式阻挡电磁信号的电磁壁，使得电磁能量更为集中，从而增加天线的方向性。本文对三种不同布局的微带天线系统进行了仿真，目的之一在于发现围合式加载方式与非围合式方式的不同效果，为设计高增益的微带天线系统提供思路和手段。

图9为三种不同的布局，布局1为围合式结构，不再赘述，布局2在y轴方向设置两列电磁带隙结构，每列8个单元，馈电点在x轴方向；布局3在x轴方向设置两列电磁带隙结构，每列8个单元，正好与布局2形成垂直关系。选择布局1的目的是希望得到围合式结构与非围合式结构的不同，选择布局2和布局3之目的是比较不同极化方式对天线增益的影响：当馈电在x轴方向，天线为水平极化方式，电场强度沿着水平x轴方向，辐射发生在微带天线的a边和b边，与布局2相比布局3的馈电点并没有发生变化，而是设置电磁带隙结构扭转90度，相当于电磁带隙结构加载于垂直极化的天线系统中。三种结构的仿真结果如表3所示。比较三种布局的增益可以知道，三种布局的增益比较接近，也就是说：(1)围合式布局并不比非围合式结构有明显的优势；(2)电磁带隙结构布局在极化方向还是非极化方向，不会对天线的辐射瓣图产生明显的影响。

(a)围合 (b)沿垂直方向 (c)沿水平方向

表3 电磁带隙布局对天线增益的影响

5 结论

本文主要讨论加载电磁带隙结构微带天线设计中常常出现的一些问题：(1)由于电磁带隙结构与微带天线的耦合效应，当电磁带隙结构与微带间缝隙设置不合理时，微带天线会出现射频辐率移动现象、双频辐射现象且天线的增益减小；(2)围合式布局的电磁带隙并不比非围合式的电磁带隙布局具有更为优良的性能；(3)无论天线工作在水平极化方式还是垂直极化方式，加载电磁带隙结构都可以提高天线的增益且增加量基本相同。在上述讨论的基础上，本文提出了一种加载电磁带隙结构的高增益微带天线的布局并对其增益进行了讨论。