高增益電磁帶隙結構微帶天線設計*

王素玲

(新鄉學院 機電工程學院，河南 新鄉 453003)

1 引言

做為通信終端的門戶，天線的輻射性能是射頻工程首先需要考慮的問題。微帶天線因制作簡單、輪廓低、易于集成、價格便宜，成為便攜式通信終端的首選，尤其在模塊化的移動終端，微帶天線更是具有不可替代的信號收發作用。微帶天線的增益、輻射瓣圖、輻射效率等技術指標直接影響移動終端的信號質量和射頻電路的復雜程度，改善微帶天線的輻射性能成為射頻電路的重要研究課題。

電磁帶隙(electromagnetic band-gap，EBG)結構[1,2]是一種仿晶格的周期性電磁結構，電磁帶隙結構與光子晶體有非常密切的關系，微波波段的光子晶體稱為電磁帶隙結構。光子晶體與電磁帶隙結構的電磁行為在某些方面非常相似：科學家觀察到在特定的頻段二者均會出現禁帶區，即在特定的頻帶，電磁波不能傳播。利用電磁帶隙結構的禁帶特性可以減小天線組的尺度，其基本原理是電磁帶隙結構能有效消除或減弱表面波，從而減少微波信號間的互耦[3-6]；還可以利用其帶阻特性制作濾波器、移相器等常用微波器件；在電磁兼容技術中，電磁帶隙結構常常被設置成隔離裝置以減小不同電氣設備的互相影響。可以說，電磁帶隙結構的出現不僅具有一定的理論意義，也給小型化微波器件帶來了新思路和新手段。本篇論文主要討論電磁帶隙結構在微帶天線系統中的應用，通過合理的布局有效減小二者的互耦，提高微帶天線的增益。

2 電磁帶隙提高天線增益原理分析

2.1 電磁帶隙結構的禁帶特性

典型的電磁帶隙為蘑菇型結構[1，2]，通常用敷銅雙面或者多面印刷線路板制作，根據工程需要，可以把電磁帶隙排列成一維形式或者二維的平面型結構。當電磁帶隙結構被用作低輪廓天線的反射基板時，由于需要足夠大的反射板面積，電磁帶隙常常被制作成二維結構，做移相器或者濾波器使用時，則以一維的形式出現。圖1所示為一維蘑菇型電磁帶隙結構。雙面印刷板的下表面為電磁帶隙結構的地表面；印刷線路板上表面為刻蝕貼片陣列，貼片陣列的每個單元通過導電過孔與地平面相連。圖1(a)所示為經典的蘑菇型電磁帶隙的俯視圖，正方形金屬貼片的邊長為w，相鄰兩個貼片的間距為g，在貼片的中心設置金屬化過孔。

(a)俯視圖和剖面圖 (b)單元等效電路

BW=f1-f2

其中，L0為一個單元的等效電感，Lsh為過孔的等效電感，C0為等效傳輸線的電容，Cs為相鄰貼片縫隙間等效電容。

2.2 電磁帶隙結構實現高增益天線原理

圖2所示為常見的加載電磁帶隙微帶天線的布局圖，雙面印刷線路板的中心區域為微帶天線，電磁帶隙結構包圍其四周，形成嵌入式微帶天線。當饋電設置在x軸方向時，電磁輻射為水平線極化，電磁輻射主要集中在微帶天線的兩個邊a1和a2，印刷線路板的地平面為電磁場反射面，地平面越大，電磁波的反射越強，天線的后瓣越小，集中在前瓣的電磁能量越多，微帶天線的增益越高。

圖2 電磁帶隙結構與微帶天線布局

從上述分析可知，微帶天線的增益與天線尺寸的關系極其密切，為了增加微帶天線的增益，必須增加反射板地平面的面積，因此，高增益和便攜式小型化成為一對矛盾，射頻工程中常常需要在二者間進行取舍和折中。電磁帶隙結構為解決該問題提供了新的思路：圖2中，周期性結構的電磁帶隙可以阻止禁帶區的電磁信號傳播，也就是說當頻率適當時，電磁帶隙結構在微帶天線的周邊形成一堵“電磁墻”，該“電磁墻”把微帶天線介質中的電磁能量限制在一定的區域，使得電磁能量更為集中，實現微帶天線的小型化和高增益。

3 加載電磁帶隙的微帶天線

上述分析可知，理論上通過加載電磁帶隙結構提高天線的增益是可行的，但是，在射頻天線設計中仍存在許多問題。

3.1 加載電磁帶隙的微帶天線的輻射頻率

仿真采用Ansoft公司的高頻仿真軟件HFSS13加載電磁帶隙的微帶天線如圖3(a)所示，中間為微帶天線，x軸同軸饋電，沿著y軸方向設置兩列蘑菇型貼片，每列3個單元，共6個結構單元，x軸方向沒有設置蘑菇型單元，蘑菇型電磁帶隙的側視圖如圖3(b)所示，相鄰兩個單元中間的縫隙用g表示，貼片的寬度用w表示，p表示電磁帶隙結構與微帶天線之間的縫隙，h為印刷板的厚度，蘑菇型電磁帶隙的單元貼片通過金屬化孔與敷銅印刷板地平面相連。

(a) top view

為了說明耦合產生的雙頻輻射現象，文中給出加載電磁帶隙后散射參數的變化情況如圖4所示，圖4中橫軸為微波的頻率，縱軸為散射參數S11，微帶天線與電磁帶隙結構的間距p=0.4mm，不難看出，加載電磁帶隙的微帶天線系統存在兩個輻射頻率，分別位于1.96GHz和2.2GHz，將此圖與未加載電磁帶隙結構的散射曲線相比較，加載電磁帶隙結構的微帶天線系統：(1)原來的輻射頻率發生移動，輻射頻率由原來的2.22GHz移動到2.2GHz，輻射頻率減小0.02GHz；(2)在1.96GHz出現了新的輻射頻率點。

圖4 電磁帶隙激發新的輻射頻率

保持電磁帶隙結構中蘑菇型貼片的大小不變，改變縫隙間隔，觀察頻移。筆者做了大量的電磁仿真，部分結果列于表1，用以說明輻射頻率的移動規律。表中選擇的電磁帶隙貼片尺度為10mm×7mm，仿真中貼片與微帶天線的最小間距p=0.2mm，按照0.1mm的步長逐漸增加其間距。表中顯示，隨著間距g的增加，輻射頻率f1呈增長的趨勢，但是，當間距g增長到一定的程度(表中約1.6mm左右)時，頻率出現滯漲態勢，基本穩定在2.08GHz，繼續增加間距，輻射頻率f1呈現出左右搖擺的特點。

表1 天線輻射頻率的變化

把圖3(a)中蘑菇型電磁帶隙的方向旋轉90度，即使其沿著x軸方向呈周期性排列，并設置其分列于微帶天線的兩邊，重復上述仿真，仿真結果雖有所不同，但天線的輻射頻率同樣發生了變化，為避免重復，此處不再給出其散射參數的仿真曲線。

綜上所述，無論電磁帶隙結構加載在水平方向還是加載在垂直方向，加載電磁帶隙結構的微帶天線均存在兩個輻射頻率，其中一個輻射頻率與未加載之前的微帶天線的輻射頻率非常接近，該輻射頻率可以解釋為微帶天線本身的輻射效應；另外一個輻射頻率總是小于微帶天線本身(單獨存在時)的輻射頻率，該輻射頻率可以認為是電磁帶隙結構與微帶天線互相作用的結果：根據微波輻射理論，輻射體的尺度越大，對應的輻射頻率越低，由此推出兩個輻射頻率中數值較低的輻射是由更大尺度的輻射體引起的輻射效應，考慮到電磁帶隙結構與微帶天線間縫隙足夠小，二者間的耦合不可忽略，新頻率可以認為是電磁帶隙結構和微帶天線的共同輻射，電磁帶隙結構的存在相當于增加了微帶天線的面積，因此出現了頻率更低的輻射。簡而言之，電磁帶隙的存在相當于增加了微帶天線的尺度，因此出現了更低頻率的輻射。

3.2 電磁帶隙結構與天線間距對增益的影響

采用商業軟件HFSS13進行仿真。電磁帶隙結構的基板設置為雙層印刷線路板，介質基片材料設置為Rogers RT/duroid 6010，相對介電常數εr=10.2，厚度h=2mm，雙面覆銅板，下表面為地平面，上表面為正方形的蘑菇型電磁帶隙結構。仿真結果如圖5所示，圖中，較粗的實線表示未加載電磁帶隙結構的天線的E面瓣圖，其增益為Gain=4.59dB； 加載電磁帶隙后，當微帶天線與電磁帶隙結構的縫隙p為0.2mm時，天線E面瓣圖如圖5中線型較細的虛線所示，其增益為Gain=3.40dB。二者相比，加載電磁帶隙的微帶天線增益不但沒有提高反而減小1.19dB。改變間隙p的大小，間隙不同時天線系統的增益如表2所示。

圖5 加載電磁帶隙的微帶天線的增益變化

表2 加載電磁帶隙結構的天線增益

綜合圖5和表2的仿真結果，與未加載電磁帶隙的微帶天線相比，加載電磁帶隙微帶天線的增益并非像預期一樣出現大幅上升，反而出現了增益下降的情況。

4 高增益天線的設計與仿真

4.1 加載電磁帶隙的高增益天線仿真

從上述仿真結果可以看出，電磁帶隙和微帶天線間的耦合將在兩個方面影響天線的性能：輻射頻率和天線增益。設計出高增益小型化的天線，必須盡量減小天線和電磁帶隙間的耦合。根據微帶天線理論，微帶天線激發的內電磁場主要集中在印刷線路板的介質基片中，對于同軸饋電的微帶天線，其電磁場的分布與場點到饋電點的距離有關，靠近饋電點的場點電磁場較強，遠離饋電點的場點電磁場較弱，在天線貼片的邊沿，由于電磁傳播條件發生突變，將激發出向空中輻射的電磁波，輻射主要發生在天線貼片的邊沿，也就是說，圖2中正方形貼片的兩個對邊a1和a2區域將會有強度較大的電磁輻射，而沿著x軸方向，在x大于a2或者小于-a2區域，即貼片邊沿外延的區域，電磁場將迅速衰減。電磁帶隙與微帶天線間的耦合與介質中的電磁場強度密切相關，電磁場強度越大，耦合效應越明顯，因此，合理設置電磁帶隙結構的布局，可以抑制二者的耦合效應。

減小二者之間的耦合有許多方法，本文采用合理設置微帶天線與電磁帶隙間距的方法。如果二者間距設置過小，二者的電磁耦合將很強，電磁帶隙的存在不僅不能提高天線的增益，反而使其增益下降；如果天線與電磁帶隙間的間距設置過大，雖然可以減弱二者之間的耦合，但電磁帶隙起不到增加天線增益的效果，存在的意義不大。本文通過大量的仿真，發現設置合理的間距，才能使電磁帶隙既不影響或不嚴重影響微帶天線的輻射頻率又能提高天線系統的增益。

仿真采用圖6所示結構，介質采用Rogers /RT Duroid 6010, 其相對介電常數為10.2，微帶天線為常用的正方形貼片，尺度為10 mm×10 mm，同軸饋電，饋電點在x軸上，坐標為2.94 mm，印刷板的下表面為天線的地平面，大小為60mm×60mm，電磁帶隙為常規的蘑菇型正方形結構，每個單元貼片的大小為6mm×6mm，電磁帶隙結構中相鄰貼片的間隙g設置為0.2 mm，在每個正方形貼片(patch)中心設置金屬化過孔，過孔的半徑r設置為0.2 mm，金屬化過孔的高度與介質基片厚度相同，均為2 mm，沿著x軸方向，設置上下兩行電磁帶隙結構，每行設置7個單元，兩行共14單元；y軸方向同樣設置兩列電磁帶隙結構，每列6個單元，兩列12個單元；水平方向與垂直方向共計設置26個單元，形成圍合式結構。在水平x軸方向，微帶天線與電磁帶隙之間的間距沿著x軸正方向與負方向的間距相同，均為6.2mm，而y軸方向的設置則采用上下不同的間距，上間距(y正方向)間距較大，為12.2mm，下間距(y軸負方向)間距較小，為6.2mm。

圖6 高增益天線結構示意圖

仿真結果見圖7、圖8。天線輻射的中心頻率f=2.25GHz，在該頻率點其散射參數S11=-24.9dB，增益Gain=5.212dB。把該天線的增益與未加載電磁帶隙的微帶天線增益3.4dB相比，天線的增益增加了1.812dB。因此，當間距設置合適時，圍合式布局的電磁帶隙微帶天線，能夠在原來的輻射頻率附近輻射并且具有較高的天線增益。

圖7 圍合式電磁帶隙微帶天線的輻射頻率

圖8 高增益天線的輻射瓣圖

4.2 三種布局的增益比較

在加載電磁帶隙結構的微帶天線研究中，見諸報道的布局多設計成圍合式，即在微帶天線的四周加載電磁帶隙結構，以期形成一個封閉式阻擋電磁信號的電磁壁，使得電磁能量更為集中，從而增加天線的方向性。本文對三種不同布局的微帶天線系統進行了仿真，目的之一在于發現圍合式加載方式與非圍合式方式的不同效果，為設計高增益的微帶天線系統提供思路和手段。

圖9為三種不同的布局，布局1為圍合式結構，不再贅述，布局2在y軸方向設置兩列電磁帶隙結構，每列8個單元，饋電點在x軸方向；布局3在x軸方向設置兩列電磁帶隙結構，每列8個單元，正好與布局2形成垂直關系。選擇布局1的目的是希望得到圍合式結構與非圍合式結構的不同，選擇布局2和布局3之目的是比較不同極化方式對天線增益的影響：當饋電在x軸方向，天線為水平極化方式，電場強度沿著水平x軸方向，輻射發生在微帶天線的a邊和b邊，與布局2相比布局3的饋電點并沒有發生變化，而是設置電磁帶隙結構扭轉90度，相當于電磁帶隙結構加載于垂直極化的天線系統中。三種結構的仿真結果如表3所示。比較三種布局的增益可以知道，三種布局的增益比較接近，也就是說：(1)圍合式布局并不比非圍合式結構有明顯的優勢；(2)電磁帶隙結構布局在極化方向還是非極化方向，不會對天線的輻射瓣圖產生明顯的影響。

(a)圍合 (b)沿垂直方向 (c)沿水平方向

表3 電磁帶隙布局對天線增益的影響

5 結論

本文主要討論加載電磁帶隙結構微帶天線設計中常常出現的一些問題：(1)由于電磁帶隙結構與微帶天線的耦合效應，當電磁帶隙結構與微帶間縫隙設置不合理時，微帶天線會出現射頻輻率移動現象、雙頻輻射現象且天線的增益減小；(2)圍合式布局的電磁帶隙并不比非圍合式的電磁帶隙布局具有更為優良的性能；(3)無論天線工作在水平極化方式還是垂直極化方式，加載電磁帶隙結構都可以提高天線的增益且增加量基本相同。在上述討論的基礎上，本文提出了一種加載電磁帶隙結構的高增益微帶天線的布局并對其增益進行了討論。