ka波段微带天线 一种新型光子晶体结构微带天线

　　[摘要]提出一种关于二维光子晶体基底的微带天线,光子晶体是一种人造的周期性电介质结构。采用的方法是在介质基片中引入周期性分布的空气孔,孔径的分布式采用点阵排列,即中心孔径的深度比周围孔径的深度要低一些,采用HFSS软件对这些结构进行模拟仿真,仿真结果表明PBG结构对微带天线的增益和方向性有一定改善。
　　[关键词]微带天线方向性增益PBG
　　中图分类号:TN98文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)1120019-02
　　
　　一、介绍
　　
　　PBG结构的中文名称为光子带隙结构,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,它能够抑制一定频率范围内的电磁波在其中的传播。近年来,PBG结构得到很大的发展,出现了一维,二维及三维等多种结构,并且获得了越来越多的应用。在天线方面的应用主要有抑制表面波河利用高阻表面特性提高天线增益,加强前向辐射,抑制背瓣和旁瓣,获得单向辐射的天线以及人身保护手机天线等。在天线阵列中可以抑制天线个单元互耦。在电路中可以提高电子设备的电磁兼容性,实现电路各部件间的去耦。具体如抑制放大器的谐波影响,抑制高速数字信号间的串扰,宽带带阻滤波器,宽带反射器,高Q谐振器,FSS(频率选择表面)等。PBG结构研究的主要发展趋势有:(1)小型化,随着电子设备集成度越来越高以及可移动设备和便携式设备的发展,要求电路中各种器件具有小尺寸。为了适应这种发展趋势,PBG结构也必须向小型化发展。最早的PBG结构单元尺寸多为带隙波长的0.5,近来提出的许多PBG结构单元尺寸都远小于带隙波长的0.5:(2)多层结构的实现。现在电路中越来越多的使用多层电路板,为了在这些电路中使用PBG结构,有必要发展具有多层结构的PBG。
　　本文主要研究了PBG结构在微带电路中的应用。分析了二维平面带隙结构特性。而我们的方案是在光子晶体中心孔洞引入缺陷,而缺陷只占据中心孔洞下半部分,上半部分仍然是空气孔洞,然后将天线的贴片放在中心孔洞的底部,天线的贴片等于放入了光子晶体的内部。对这种结构进行仿真,并对仿真结果进行分析,分析结果表明具有PBG缺陷结构的微带天线能够有效地提高天线的增益,改善天线的方向性。
　　
　　二、天线设计
　　
　　如图二所示,在中心孔洞引入缺陷,但不是将孔洞完全去除,而只是孔洞下半部分引入缺陷,中心孔洞的深度比周围孔洞的深度低上一些,然后将天线贴片放在孔洞的底部,因而这种设计是将天线的贴片放置在光子晶体内部。
　　本文选取的频率为7.1GHz作为天线的谐振频率,该频率为一通常用于无线通信的微波频率。选取该频率频率作为微带帖片的谐振频率,使得本文章的现实意思更加明确。在该天线结构中引入PBG就是为了更好的改善天线的工作性能。
　　首先,让我们来确定天线的尺寸参数。
　　第二步,选择具有适当厚度的合适的介质基片。我们选定天线的谐振频率 =7.1GHz,介质基片的相对介电常数,提高介质基片厚度h可提高带宽和效率,但是为了抑制表面波辐射的产生,介质基片的最大厚度满足下式。
　　其中:为最高工作频率,取 =8GHz,c为光速。我们最终确定天线介质基片的厚度h=1.0mm。
　　根据传输线模型估算辐射贴片的实用宽度为:
　　我可以选择其他的宽度作为天线的宽度,当选用小于13.04mm的宽度时,辐射器的效率较低,而选用大于13.04mm的宽度时,辐射器的效率虽低,但这时产生高次模,从而引起场的畸变。所以我们最终选定天线的宽度W=13mm。
　　第三步,确定天线单元的长度。
　　一旦知道了W,则等效介电常数和线伸长 可分别由式(3)和(4)来计算。
　　因此,谐振单元长度为:
　　通过综合考虑我们最终确定天线的长度L=16mm。本文采用同轴线线进行馈电。
　　
　　三、仿真结果
　　
　　我们使用Ansoft公司的HFFS软件对提出的结构进行仿真,也对没有引入PBG结构的微带天线(均匀介质基底微带天线)进行仿真。两种情况中天线介质基片的厚度都是1.00mm。两种方案的工作频率都设定在7GHz附近。从图三中可以看出,未引入PBG结构的均匀介质基片谐振频率位于7.11GHz,增益大小为-9.84dB。从图四中可以对比得出,此时引入PBG结构后,微带天线的谐振频率位于7.50GHz,增益为-15.90dB。我们可以得知这种PBG结构对天线的增益用很好的改善作用。频率的偏移是由于等效介电常数的减小所导致的,可以通过适当的修改天线大小来得以补偿。
　　从图六中可以清楚看到,没有引入PBG结构的均匀介质基片微带天线的方向图存在有明显的后向辐射,同时前向方向性不好。从图五中可以看到,引入PBG结构的微带天线,前向增益有所提高,同时背向辐射也受到了明显的抑制。通过这两幅图我们可以得知,PBG结构可以在改善前向增益的同时抑制背向辐射。
　　
　　四、结论
　　
　　从上面的结果我们可以看到,引入PBG缺陷结构的微带天线不仅可以在很大的程度上提高天线的增益,同时可以改善天线的前向辐射,抑制天线的后向辐射。通过这些非常明显的效果,我们总结得知PBG结构对微带天线工作性能的优化有很大的作用。
　　
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