基于高阻表面微波光子晶體的微帶天線設(shè)計(jì)

吳 浩，王靈敏，田小建，單江東

（吉林大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，長春 130012）

微波光子晶體結(jié)構(gòu)是一種人造的具有頻率帶隙的周期介電材料.目前對光子晶體結(jié)構(gòu)在微波與毫米波領(lǐng)域的應(yīng)用研究已取得很多成果，如采用光子晶體結(jié)構(gòu)的微帶型帶阻濾波器和諧振器可有效抑制諧波，提高放大器效率；將拋物面天線反射面加載于微帶天線可抑制表面波，從而改善天線的方向圖等.

微帶貼片天線具有體積小、重量輕、低剖面、成本低和易加工等優(yōu)點(diǎn)，有廣闊的應(yīng)用前景.光子晶體結(jié)構(gòu)在特定的頻率范圍內(nèi)具有傳輸頻帶和介質(zhì)頻帶.本文將微波光子晶體結(jié)構(gòu)的表面波帶隙特性應(yīng)用于微帶天線中，從而提高了天線性能［1－12］.

1 高阻表面結(jié)構(gòu)微帶天線的特性

1.1 理論分析 采用正方形單元為高阻表面單元形式.高阻表面的表面波帶隙設(shè)計(jì)可依據(jù)等效電路模型計(jì)算，其等效參數(shù)表達(dá)式為

其中：a為周期長度；w為正方形單元的邊長；g為單元間的縫隙寬度；t為基板厚度.由估算的等效電容及電感可得結(jié)構(gòu)的諧振頻率為

圖1 高阻表面的截圖Fig.1 Screenshots of high－impedance surface

由于式（1），（2）為估計(jì)公式，因此在應(yīng)用時(shí)還需使用數(shù)值方法進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，以使天線的工作頻率位于高阻表面的表面波帶隙內(nèi)［2，13－16］.

1.2 方案設(shè)計(jì) 微波光子晶體高阻表面是在介質(zhì)板表面排列一組金屬突起物而形成的，它們通過二維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)排列，這些金屬小貼片與下面的導(dǎo)體利用垂直的金屬柱通過過孔連接.由于該結(jié)構(gòu)對在表面?zhèn)鞑サ谋砻娌ň哂幸种谱饔茫虼藢⑻炀€鑲嵌在其中心可有效抑制天線表面波的傳播，利用光子晶體高阻表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改善天線方向圖的截面圖如圖1所示［8］.

設(shè)計(jì)高阻表面的帶隙中心頻率約為11.75GHz，選取基板厚度為0.8mm，相對介電常數(shù)為4.4，過孔半徑為0.4mm.正方形單元貼片邊長為7mm，單元與單元間的寬度為0.3mm，過孔與過孔間的距離為7.3mm.設(shè)計(jì)的天線為微帶矩形貼片天線，天線尺寸為5.8mm×8.3mm，采用微帶線饋電，工作頻率為11.75GHz.微帶天線與高阻表面微帶天線的截圖如圖2所示.

圖2 微帶天線與高阻表面微帶天線截圖Fig.2 Screenshots of microstrip anternna and microstrip anternna with high－impedance surface

圖3 微帶天線與高阻表面微帶天線的S11參數(shù)Fig.3 S11parameters of microstrip anternna and microstrip anternna with high－impedance surface

1.3 仿真結(jié)果 通過仿真可得天線端口回波損耗曲線S11，如圖3所示（實(shí)線表示高阻表面微帶天線的S11參數(shù)，虛線表示微帶天線S11參數(shù)）.由圖3可見，加入光子晶體高阻表面的天線S11參數(shù)略有變化，天線的諧振頻率由11.75GHz向高偏移至11.79GHz，回 波 系 數(shù) 由 －28.73dB 降 為－43.40dB，匹配效果明顯變好.這是因?yàn)楣庾泳w高阻表面結(jié)構(gòu)的金屬貼片與天線間存在耦合所致.

由于加入光子晶體高阻表面天線的諧振點(diǎn)向高頻偏移，因此可選擇適當(dāng)?shù)闹C振點(diǎn)為基準(zhǔn)以比較方向圖的變化.若所取頻率點(diǎn)為11.77GHz，則光子晶體天線與微帶天線的三維增益圖如圖4所示.由圖4（A）可見，微帶天線在此頻率點(diǎn)上的最大增益約為4.76dB；由圖4（B）可見，應(yīng)用正方形單元結(jié)構(gòu)高阻表面的天線增益約為5.37dB，約提高了0.6dB，且其背瓣降低，平均降低為4～5dB，最大降低約為10dB.

圖4 三維增益圖Fig.4 3Dgain patterns

2 測試結(jié)果

2.1 反射損耗測試 通過熱轉(zhuǎn)印法與腐蝕制作光子晶體天線，其反射損耗曲線如圖5所示.由圖5可見，加入光子晶體高阻表面的天線S11參數(shù)略有變化，天線的諧振頻率由11.75GHz向高偏移至11.79GHz，回波系數(shù)由－24.73dB降為－36.40dB，匹配效果明顯變好.

2.2 增益測試 標(biāo)準(zhǔn)天線接收功率數(shù)據(jù)如圖6所示.其計(jì)算公式為

其中：GS為已知標(biāo)準(zhǔn)天線的增益，調(diào)節(jié)匹配器使電路匹配；P為接收標(biāo)準(zhǔn)天線功率計(jì)的讀數(shù)；PS為接收待測天線功率計(jì)的讀數(shù).

圖5 反射損耗曲線Fig.5 Reflection loss curves

圖6 標(biāo)準(zhǔn)天線接收功率數(shù)據(jù)Fig.6 Receive power data of standard antenna

由圖6可見，加入光子晶體高阻表面天線的諧振點(diǎn)向高頻偏移，因此可選擇適當(dāng)?shù)闹C振點(diǎn)為基準(zhǔn)以比較方向圖的變化，若所取頻率點(diǎn)為11.80GHz，則標(biāo)準(zhǔn)天線增益為13dB.表1和表2分別為高阻表面微帶天線和微帶天線接收功率數(shù)據(jù)，根據(jù)式（4）計(jì)算可得微帶天線在0°增益為3.34dB，高阻表面微帶天線在0°增益為4.90dB，提高了1.56dB，且其背瓣降低，從而驗(yàn)證了仿真結(jié)果正確.

表1 高阻表面微帶天線接收功率（W）Table 1 Receive power data of microstrip anternna with high－impedance surface（W）

表2 微帶天線接收功率（W）Table 2 Receive power data of microstrip antenna（W）

綜上，本文利用高頻結(jié)構(gòu)仿真（HFSS）軟件對所設(shè)計(jì)的光子晶體天線進(jìn)行仿真計(jì)算，并通過實(shí)物測試驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用光子晶體高阻表面的微帶貼片天線反射損耗曲線測試結(jié)果明顯變好，回波系數(shù)明顯下降，匹配效果變好.當(dāng)天線工作頻率在光子晶體高阻表面的表面波帶隙中時(shí)，由于表面波被抑制，天線的背瓣減小了4～10dB，而主瓣增益約提高了0.6dB，因此本文提出的高阻表面結(jié)構(gòu)可更好地抑制表面波的傳播，從而有效改善天線的方向圖.

［1］張國華.諧振型微波光子晶體電磁特性研究及其在天線中的應(yīng)用 ［D］.長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2005.（ZHANG Guohua.Study on Electromagnetic Characterististics of Resonance－Type Microwave Photonic Crustals and Its Applications in Antennas［D］.Changsha：National University of Defense Technology，2005.）

［2］付云起，袁乃昌.微波光子晶體及其應(yīng)用研究 ［M］.長沙：國防科技大學(xué)出版社，2009：96－147.（FU Yunqi，YUAN Naichang.Research of Microwave Photonic Crystal and Application［M］.Changsha：Press of National University of Defense Technology，2009：96－147.）

［3］閆敦豹，付云起，張國華，等.EBG結(jié)構(gòu)在微帶天線陣中的應(yīng)用 ［J］.微波學(xué)報(bào)，2005，21（增刊）：75－78.（YAN Dunbao，F(xiàn)U Yunqi，ZHANG Guohua，et al.The Application of EBG Structure to Microstrip Antenna Array［J］.Journal of Microwaves，2005，21（Suppl）：75－78.）

［4］Radisic V，QIAN Yongxi，Coccioli R，et al.Novel 2－D Photonic Bandgap Structure for Microstrip Lines［J］.IEEE Microwave and Guided Wave Letters，1998，8（2）：69－71.

［5］Yahllonovitch E.Inhibited Spontaneous Emission in Solid－State Physics and Electronics［J］.Phys Rev Lett，1987，58（20）：2059－2062.

［6］Yun T Y，CHANG Kai.Uniplanar One Dimensional Photonic Bandgap Structures and Resonaters［J］.IEEE Trans MTT，2001，49（3）：549－553.

［7］顏曉，朱娜，汪杰，等.單平面緊湊型微波光子晶體在PIFA天線中的應(yīng)用 ［J］.光電子技術(shù)，2011，31（4）：259－262.（YAN Xiao，ZHU Na，WANG Jie，et al.UC－EBG Application in the Planar Inverted F Antenna［J］.Optoelectronic Technology，2011，31（4）：259－262.）

［8］張國華，袁乃昌，付云起，等.高阻接地面圓波導(dǎo)介質(zhì)天線實(shí)驗(yàn)研究 ［J］.微波學(xué)報(bào)，2005，21（4）：31－33.（ZHANG Guohua，YUAN Naichang，F(xiàn)U Yunqi，et al.Experimental Studies on Circular Waveguide Dielectric Rod Antenna Using High Impedance Ground Plane［J］.Journal of Microwaves，2005，21（4）：31－33.）

［9］宮海波，武岳山，劉奕昌.一種基于高阻表面的2.45GHz頻段讀寫器天線 ［J］.通信與網(wǎng)絡(luò)，2010，36（11）：110－113.（GONG Haibo，WU Yueshan，LIU Yichang.2.45GHz－Band Reader Anternna Based on High－Impedance Surface［J］.Communication and Network，2010，36（11）：110－113.）

［10］殷雄，張厚，王劍.一種基于光子帶隙結(jié)構(gòu)的新型圓極化天線 ［J］.無線電工程， 2009，39（7）：41－43.（YIN Xiong，ZHANG Hou，WANG Jian.A New Circular Polarization Microstrip Antenna Based on PBG Structure［J］.Radio Engineering，2009，39（7）：41－43.）

［11］劉春恒，呂躍廣，汪秋華.新型光子晶體微帶天線 ［J］.電子對抗，2005（5）：22－26.（LIU Chunheng，LüYueguang，WANG Qiuhua.A New Microstrip Antenna Based on Photonic Crystal Substrate［J］.Electronic Warfare，2005（5）：22－26.）

［12］鄭秋容.微波光子晶體帶隙特性及其在天線中的應(yīng)用［D］.長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2007.（ZHENG Qiurong.Bandgap Characteristics of Microwave Qhotonic Crystal and Its Application in Antenna［D］.Changsha：National University of Defense Technology，2007.）

［13］程海榮.電磁帶隙結(jié)構(gòu)的小型化設(shè)計(jì)及其在微帶天線中的應(yīng)用 ［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2010.（CHENG Hairong.Design of Miniaturized Electromagnetic Band Gap Structure and Its Application in Microstrip Antenna［D］.Xi’an：Xidian Universty，2010.）

［14］任王.小型微帶天線分析與設(shè)計(jì) ［D］.杭州：浙江大學(xué)，2008.（REN Wang.Study on Miniaturized Microstrip Antenna［D］.Hangzhou：Zhejiang University，2008.）

［15］劉藤.微帶天線的理論研究與工程設(shè)計(jì) ［D］.成都：電子科技大學(xué)，2011.（LIU Teng.Theoretical Research and Enginneering Design of Microstrip Antenna［D］.Chengdu：University of Electronic Science and Technology of China，2011.）

［16］劉靜嫻.小型化天線設(shè)計(jì)及其可重構(gòu)技術(shù)的研究 ［D］.杭州：浙江大學(xué)，2011.（LIU Jingxian.Research on the Miniaturization and Reconfigurability of Compact Antennas［D］.Hangzhou：Zhejiang University，2011.）