一種基于H分形光子帶隙結構的小型微帶天線(xiàn)

1 引言

光子帶隙（PhotonicBandgap，簡(jiǎn)稱(chēng)PBG）結構是一種人工構造的周期性電介質(zhì)結構，光子帶隙結構的理論來(lái)源于電子能帶理論，在這種結構中傳播的波——如聲波、電磁波、光波等，在某一特定頻率范圍內的將不能在此周期性電介質(zhì)結構中傳播，這一特殊的頻帶則稱(chēng)為禁帶。對于微帶天線(xiàn)的設計，PBG結構可以用于提高天線(xiàn)的性能，例如提高天線(xiàn)增益，增強輻射效率以及減小天線(xiàn)尺寸等。但事實(shí)上，由于PBG周期單元尺寸接近禁帶頻率的半波長(cháng)，使得PBG結構在實(shí)際應用中受其自身尺寸的限制，特別是在較低的頻率上應用時(shí)。

在本文中，我們設計一種新穎的基于分形結構的小型化微帶貼片天線(xiàn)，利用H分形PBG結構替代了微帶天線(xiàn)原來(lái)的接地面，使得天線(xiàn)尺寸大幅縮減，這種新型的小型化天線(xiàn)對于需要電小天線(xiàn)的無(wú)線(xiàn)通信系統將有很好的應用價(jià)值。

2H分形PBG結構天線(xiàn)設計

分形拓撲是一種很好的分析復雜問(wèn)題以及混沌問(wèn)題數學(xué)方法，其有著(zhù)獨特的自相似特性，使分形拓撲能在保持尺寸不變的情況下形成新的結構。在微波天線(xiàn)設計以及PBG結構的應用中，分形方法是一種實(shí)現結構小型化、多工作頻率以及拓展頻率帶寬的有效途徑。PBG中所應用的分形結構包括多種類(lèi)型，如H型、Y型、V型以及音叉型等等。

H分形PBG結構是一種平面的PBG結構，這種結構在非常寬的頻率范圍內呈現出多帶隙特性，并且打破了帶隙結構尺寸與帶隙頻率的傳統關(guān)系。H分形結構是由一條長(cháng)為HL、寬為HW的帶線(xiàn)作為第一階，并通過(guò)對這一基本單元進(jìn)行重復的仿射變換構造而成。第(k+1)階結構包含2k條帶線(xiàn)，每條帶線(xiàn)的中點(diǎn)分別連接第k階帶線(xiàn)的兩端點(diǎn)。當k為奇數時(shí)，第(k+1)階帶線(xiàn)的長(cháng)度和寬度與第k階相等，而k為偶數時(shí)第(k+1)階帶線(xiàn)的長(cháng)度和寬度則為第k階帶線(xiàn)的一半。隨著(zhù)其階數的增加，H分形PBG結構的總體尺寸將無(wú)限接近2(HL+HW)×2(HL+HW)。

H分形PBG天線(xiàn)包括兩層金屬層，介質(zhì)基板為h=1mm的RogersRT/Duroid5880，介電常數為εr=2.2。圖1為H分形PBG天線(xiàn)的幾何結構與尺寸參數，正面為一個(gè)微帶線(xiàn)饋電的傳統貼片天線(xiàn)，底面則使用一個(gè)10階的H分形PBG結構替代了大部分的接地面，分形結構的第一階位于x軸上，結構最初的設計參數如表1所示。

（a）頂視圖——微帶天線(xiàn)及饋線(xiàn)

（b）底視圖——H分形PBG基底

圖1H分形PBG天線(xiàn)結構與參數

表1H分形PBG天線(xiàn)尺寸參數

3仿真及參數優(yōu)化

H分形PBG天線(xiàn)電磁仿真S11參數如圖2所示，虛線(xiàn)為尺寸相同的傳統基底微帶天線(xiàn)S11參數。由圖中曲線(xiàn)可以看出，傳統微帶天線(xiàn)工作頻率為8.9GHz，而采用H分形PBG結構基底以后，該天線(xiàn)變?yōu)榱藘蓚€(gè)輻射頻率，分別為2.4GHz和8.4GHz，這個(gè)2.4GHz的輻射頻率即是由H分形PBG結構的引入而產(chǎn)生的。在天線(xiàn)尺寸不變的情況下，使得天線(xiàn)工作于更低的頻率就意味著(zhù)尺寸的縮小，因此H分形PBG天線(xiàn)尺寸相對于傳統微帶天線(xiàn)尺寸的縮小量為：

圖2H分形PBG天線(xiàn)與傳統天線(xiàn)S11參數對比