一種雙頻的EBG結構天線

【摘要】本文描述了一個高性能的在背面加載電磁帶隙結構的雙頻共面貼片天線，天線工作頻率分別為2.45GHz和5GHz，電磁帶隙結構由一個3*3的單元組成。本論文分別對共面天線，電磁帶隙，和集成的天線做了闡述，盡管EBG結構比較小，但是在抑制背面輻射，提高天線增益方面獲得了很好的效果。

【關鍵詞】雙頻天線共面天線微帶天線電磁帶隙（EBG）

一、引言

電磁帶隙結構是一種人工的周期結構，用來防止或者增強電磁波在特定的頻帶下的傳播[1]。微帶天線由于低剖面，輕的重量，以及很容易跟其它微波電路集成，所以很受歡迎。本論文中，我們設計了一個加載雙重方型EBG結構的微帶天線，以適應快速發展的高速無線局域網（WLAN），頻率為2.4GHz和5.8GHz，這2個頻率在工業，科學和醫藥以及其它個人通信系統中應用相當廣泛。但是，單個貼片天線的增益往往很低，當今有很多種方法用來提高貼片天線的增益。諧振增益方式[2]包括附加一個鈍化層或者覆蓋層在介質板上，或者在貼片下面增加一個腔體結構，減少有效介電常數[3]，通過增加一個寄生元件來減少天線的表面波，同樣能夠增加天線的增益[4]。本設計通過加載雙重方型EBG結構是另一種提高天線性能的方式。天線由一個共面條狀的饋線和共面貼片組成，這種結構能夠提供一個比較寬的工作帶寬以及更加靈活的頻帶間隔。天線上加載的雙頻EBG結構作為一個高阻抗表面（HIS）能夠減少天線的背面輻射，從而提高天線的增益。本論文中將EBG結構的共面天線的性能跟普通的雙頻天線做了比較。天線和高阻抗表面帶隙結構采用HFSS微波仿真軟件設計。

二、雙頻天線設計

本設計中的雙頻天線需要覆蓋2.45G和5.825GHz，低頻段的帶寬為2%，高頻段的帶寬為6%。為了實現帶寬，以及使得天線盡可能的薄，我們通過HFSS設計了一系列的共面天線，在[5]中簡要的介紹了其中的一種設計。共面的天線結構由一個內部的貼片和外面環繞的寄生矩形環組成，由一個共面的傳輸線進行饋電，最外面是地結構，天線尺寸為55mm*55mm，如圖1所示。共面結構的設計能夠獲得比微帶貼片天線更大的帶寬。圖2為天線仿真的反射系數，由圖中可以看出天線工作在2.4GHz和5.8GHz，兩個頻段的帶寬分別為17.5%和8.2%。由圖3和圖4的方向圖中可以看出，天線前后輻射基本相同，接近于6.1dB。

三、雙頻高阻抗表面設計

雙頻高阻抗表面有很多種幾何結構，比如環繞結構，分形結構，蝶形結構等。在頻率選擇表面設計中，同軸的雙重方形帶隙結構應用的比較廣泛，同時這種結構在制作上也相對比較簡單[6]。在本設計中，沒有使用通孔的形式，同樣達到了抑制表面波的效果。高阻抗表面設計在2.2mm厚的FR4板子上，尺寸是Lo=36mm，Li=17mm， s=1mm，g=2mm。雙頻EBG結構的諧振頻率由它的尺寸所決定。傳輸響應的0反射相位點跟內層的方型和外層環形相對應，這樣設計是為了使得EBG的0反射相位點最大的接近2.45GHz和5.8GHz。當高阻抗表面跟天線集成的時候，這2個諧振點可能會輕微的便宜，需要適當的調整。EBG結構通過HFSS微波軟件進行仿真，圖5為同軸方形EBG的最佳尺寸。通過仿真，我們知道增加縫隙g會增大2個頻率的諧振點，增大Lo和Li會減小相應的諧振點。內層貼片和外層環之間的開槽s，可以用來控制高頻段的諧振點。

四、雙頻天線加載高阻抗表面

我們設計了一個EBG陣列結構作為低剖面天線的高阻抗平面，用來減少天線的背面輻射，同時也盡可能的減少跟其它天線之間的耦合。在這個部分，我們把雙頻CPW加載到3*3的EBG結構陣列上，完整的集成天線如圖6所示。在天線跟EBG平面之間加了個1mm厚的R0hacell（介電常數=1.006），用來防止天線連接頭跟單元接觸。在實際中，共面饋線會延伸到EBG結構的邊緣。EBG天線的全部厚度為4.48mm，大約為2.45GHz時候的0.036波長。完整的加載EBG結構的天線的反射系數如圖7所示。通過仿真可以看到，集成結構的天線在低頻段的帶寬為4%，這遠遠小于共面天線的17.5%，而在高頻段也是類似的，集成結構的帶寬為7.6%，小于單獨天線的8.2%。但是等效的微帶天線在這2個頻段的帶寬只有2.5%和4.6%。

最后，我們分別對加載高阻抗表面的天線和單獨的天線在2.45G和5.8G時候的輻射方向圖進行了比較，圖8和圖9是它們的方向圖。沒有EBG結構的共面天線的方向圖跟一個偶極子的方向圖類似，基本趨向于全向輻射。在共面天線的背面放置EBG結構，在低頻段至少減少了12dB的背向輻射，從而提高了3dB的正向輻射，證明了EBG結構的效果，在高頻段也同樣的顯示了跟低頻段同樣的效果，抑制背面輻射，提高正向輻射。集成天線在2.45GHz和5.8GHz時候的增益分別為9.2dB和10.3dB，而共面天線的增益分別為6dB和6.2dB。

五、總結

本論文闡述了一個工作在無線局域網的雙頻加載EBG表面的共面天線，集成的天線在2.45GHz的工作帶寬為4%，在5.8GHz的工作帶寬為7.6%，而等效的微帶貼片天線在這2個頻段只有2.5%和4.6%的帶寬。EBG結構作為一個高阻抗表面，由一個3*3的陣列組成。盡管EBG結構相對的比較小，但是天線在抑制背面輻射，提高輻射增益方面得到了很大的改善，大大的提高了天線的性能，獲得了10.2dB的正向增益。

參考文獻

[1] Yang， F.， Rahmit-Samii， Y.：‘Electromagnetic band gap structures in antenna engineering’（Cambridge University， 2009， 1st edn.）

[2] Jackson， D.R.， Alexopoulos， N.G.：‘Gain enhancement methods for printed circuit antennas’， IEEE Trans. Antennas Propag.， 1987， 33， pp. 976～987

[3] Lee， K.-F.， Ho， K.Y.， Dahele， J.S.：‘Circular-disk microstrip antenna with an air gap’， IEEE Trans. Antennas Propag.， 1984， 32， pp. 880 884

[4] P. S. Hall and Y. Hao， Eds.， Antennas and Propagation for Body Centric Communications Systems. Norwood， MA： Artech House， 2006.

[5] E. C. Kohls et al.，“A multi-band body-worn antenna vest，”in Proc IEEE Antennas Propag. Int. Symp.， 2004， vol. 1， pp. 447 450.

[6] D. F. Sievenpiper et al.，“High-impedance electromagnetic surfaces with a forbidden frequency band，”IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques， vol. 47， no. 11， pp. 2059 2074， Nov. 1999.