阻抗表面型PBG結構貼片天線(xiàn)的設計

由于微帶貼片天線(xiàn)具有體積小、重量輕、低剖面、易加工、共形等優(yōu)點(diǎn)，所以在軍事和民用方面都有著(zhù)廣泛的應用前景。眾所周知，集成電路的基底是一些高介電常數材料，而微帶貼片天線(xiàn)在低介電常數基底上才能獲得最佳性能。位于高介電常數基底的貼片天線(xiàn)由于表面波的損耗輻射效率很低，并且頻率帶寬極窄，當應用的頻率變高時(shí)這種情況更加突出，導致貼片天線(xiàn)的增益和效率下降，并且在陣列情況下還會(huì )有高的交叉極化電平和互耦電平。為了實(shí)現微帶貼片天線(xiàn)的集成化，同時(shí)避免昂貴的基底混合技術(shù)，就必須在高介電常數基底上實(shí)現高效率的貼片天線(xiàn)。近年來(lái)出現的新型光子晶體貼片天線(xiàn)能夠較好地改善以高介電常數介質(zhì)為基底的貼片天線(xiàn)的性能。光子晶體貼片天線(xiàn)是指基于光子晶體的貼片天線(xiàn)。所謂光子晶體，或稱(chēng)PBG材料，是指將高介電常數的介質(zhì)周期性的放置所產(chǎn)生的一種人工電磁晶體，該電磁晶體的表面波波矢圖在某一頻率范圍內出現一個(gè)頻率禁帶，簡(jiǎn)稱(chēng)禁帶。通過(guò)在貼片天線(xiàn)中人為的引入光子晶體結構，并利用光子晶體的禁帶效應，抑制沿基底傳播的表面波，增加天線(xiàn)輻射到空間的電磁波，從而改善天線(xiàn)的性能。本文所采用的高阻抗表面型PBG結構具有結構緊湊、帶隙性能好、可以集成等優(yōu)點(diǎn)，在天線(xiàn)的設計中得到了廣泛的應用。

1 PBG天線(xiàn)設計

本文設計的矩形貼片天線(xiàn)，是中心頻率為10 GHz的矩形微帶天線(xiàn)(輻射元為矩形)，饋電方式選為中心側饋。采用ROGER3010材料做為基板，厚度h=1．28 mm，相對介電常數=10．2。矩形貼片的尺寸為L(cháng)×W。貼片單元的尺寸由經(jīng)驗公式計算可以得出：

利用ADS自帶的計算傳輸線(xiàn)的軟件LineCalc來(lái)計算傳輸線(xiàn)的寬度ω=0．162 mm。

PBG材料的設計首先利用等效媒質(zhì)模型得到初始的參數，更準確的參數則通過(guò)全波數值仿真獲得。由于高阻抗表面PBG結構的周期大小遠小于工作波長(cháng)，適合用集總電路元件(電容、電感)組成的等效LC并聯(lián)諧振電路來(lái)描述其電磁特性。像電路濾波器一樣阻止沿表面傳輸的電流。如前所述，蘑菇型高阻抗表面相鄰貼片間的電容效應(介質(zhì)基片既起著(zhù)支撐作用，又達到增強電容的效果)，與金屬過(guò)孔的等效電感組成集中參數的并聯(lián)諧振電路。這里有高阻面的設計公式：

式中：εr是介質(zhì)的介電常數；t是高阻面的高度；g是周期間距；ω是單元邊長(cháng)；a為周期。

最后得到的設計結果是，ω=1．73 mm，g=0．22 mm(如圖2(b)所示)。

2 建模與仿真

根據設計的PBG天線(xiàn)的結構，在HFSS中建模并仿真。模型圖如圖3所示.

仿真得到的反射系數圖如圖4和圖5所示。

可以看到回波損耗小于-10 dB的帶寬約為600 MHz，參考天線(xiàn)諧振頻率為9．96 GHz，PBG微帶天線(xiàn)諧振頻率為10．05 GHz。PBG天線(xiàn)的諧振頻率比參考天線(xiàn)略高，這是因為二者之間的耦合造成的。二者在9．99 GHz具有相同的反射系數-21．28 dB，在這個(gè)頻率上仿真得到其方向圖如圖6和圖7所示?？梢钥吹?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/PBG結構">PBG結構使方向性有所增強，天線(xiàn)的增益大約提高0．53 dB。PBG貼片天線(xiàn)因為表面波被抑制從而增強了主模的輻射幅度而使增益提高。

3 結 語(yǔ)

本文對高阻抗型PBG結構的微帶天線(xiàn)進(jìn)行了設計和仿真，求解了PBG結構的微帶貼片天線(xiàn)和常規微帶貼片天線(xiàn)輻射方向圖。仿真結果證明，在表面波的影響比較顯著(zhù)的情況下，PBG材料的引入可以有效抑制表面波的傳播，提高天線(xiàn)的增益，優(yōu)化天線(xiàn)的方向圖。證明了光子帶隙結構確實(shí)能夠壓制表面波，提高輻射增益。得出的結論對微帶天線(xiàn)的計算及工程設計上有一定的意義。