免费基于UC-EBG衬底的贴片天线的双波段谐振

基于UC-EBG衬底的贴片天线的双波段谐振
摘要
 利用单贴片天线使用一个单平面紧凑型电磁带隙结构来实现双波段谐振的思路现在已经存在。采用探针馈电的使用单层UC-EBG底板的贴片天线在2.36GHz和1.68GHz频率处的表现已经通过HFSS仿真得以实现。更进一步的计算和研究结果将在会议中给出。
 
 I．引言
 电磁带隙结构是周期性的结构，这种结构的空间周期在尺寸上远小于实际的EM场的频率，因此为这种场提供了一种均匀介质。这正好和频率选择性结构（FSS）相反，在频率选择性结构中，每一个周期单元能在实际的EM场中产生一个谐振频率。设计这样的详细的微观结构是用来使材料（宏观）显示出有效的介电常数或者在有限频率外的渗透性。这调整了电磁波和电磁带隙（EBG）结构（也叫作光子带隙结构）中的能带隙的一个波段结构的分布关系。这样的材料提供电磁波的通带和阻带，同样，半导体材料提供电子的通带和阻带。它们在天线和RF无源器件中的主要用途包括：各向异性的EBG结构的特性和应用；使用内置的同平面紧凑型EBG结构提高移动天线的效率；使用类似于EBG空穴的光线法珀进行天线梁修整。
 这篇范文提出了一个有关EBG天线的新观点：使用了一个基于分层的EBG衬底上的单辐射单元来实现双/多谐振波段的天线。这篇范文中所采用的EBG结构跟由Mosallaei提出的电抗性阻抗衬底很相似，这种EBG结构用来减小天线的体积，并且能够增加贴片天线的带宽和辐射效率。数据的理论值和将要在会议上公布的测量值很一致。
 II．物理结构和概念
 前述EBG天线的物理结构如图1所示。工作原理是：贴片天线“看见”了多种不同谐振频率下的各种EBG层和底板上的不同厚度的介质。每个EBG层由一个平板的贴片列阵组成，这个列阵形成了一个在带隙之内的RIS。在这里，这个RIS就相当于一个理想的磁导平面。贴片和金属地平面形成了一个传统的微带天线，这种微带天线提供了所需要的频点中最低的谐振频率。其他较高的谐振频率通过同一个贴片配合不同的EBG层来实现。想要获得更高的谐振频率，可以使EBG底板和贴片靠得更近。
 在各种EBG层和地之间，常常会产生高次模式，这些高次模式可能在底板之间储存能量，因此降低天线的增益。这种现象在多层结构中是很典型的，在多层EBG结构中更严重。总之，一个理想的磁导体（PMC）不存在。然而，如果仔细考虑的话，高次模式对天线性能的影响可以降到最低。
 
 
 
 也可以使用EBG引导层来增加天线宽面的方向性和增益。例如，可以使用一个平板的金属带平面。[3]
 根据图1所示的结构，合理的馈电方式是成功的关键。当前，多采用探针馈电。从最初的仿真来看，探针馈电有它的局限性。过一会将进行进一步的讨论。
 III．数字仿真
 最初的仿真结果已经显现出这个结构的多频特性，这正和预计的相一致。在2.36GHz和1.68GHz获得了两个谐振波段，这两个谐振点分别由两层EBG层得到。这里仿真所用的结构如图2和图3所示。
 
 
 
 带有辐射贴片的电介质衬底的顶层是用duroid5880制成，duroid5880的介电常数为2.2。UC-EBG结构是设计在一个另一种电介质基片上的，由RO3210制成，介电常数为10.2。仅仅使用顶层时，辐射贴片的设计工作频率为2.4GHz。UC-EBG结构在2.4GHz上形成了一个理想磁导（PMC）平面，它利用它的频率能带隙在相位上理想的反射了入射波。采用HFSS模拟的天线谐振频率为2.36GHz，与设计频率十分接近。
 这个贴片天线的另一个谐振频率在1.68GHz。这是因为存在底层电介质底板和地平面。在这个频率上，EBG层没有起到PMC平面的作用，辐射贴片把它看成了实际的地平面，和厚的衬底形成了一个传统的微带天线。通过调整基片的厚度，这个谐振频率能够进一步优化到1.8GHz，这样就能够应用到GSM系统中。
 
 
 从图4所示的回波损耗的表现中可以看到，在2.25GHz处获得了一个小的谐振点。这是由UBG表面下的不需要的表面波模式造成的。探针馈电和UC-EBG之间有很强的耦合也是一个原因。调整EBG贴片之间的距离可以调整表面波的频率，但是也改变了PMC表面的效力，最终影响天线的谐振频率。进行优化的第一步就是去除在所需要的频率带宽之外的表面波模式。
 在阻抗匹配计算期间，和2.36GHz的谐振频率相比较，天线在1.68Ghz工作时由于有比较厚的介质基片厚度，因此有更宽的带宽。
 辐射图的形状和一个典型的贴片天线保持一致，有20dB以上的co-polar和cross-polar的差异。在1.68GHz处的增益约为1.6dB，在2.36GHz处于约为-1dB。增益的表现在2.36GHz处稍差一点。一部分原因是由于探针馈电的局限性，这种馈电方式把一大部分能量困在了EBG表面之下。有一种方法能够提高天线的增益，这将是今后做进一步研究的一部分内容。
 
 
 
 IV．结论和进一步的工作
 这里通过一个使用单辐射单元的多波段贴片天线的应用阐述了多层EBG结构的观点，并提供了最初的分析。还需要进一步的理论和实验研究。
 初步的仿真结果已经显示出了多谐振频率特性。工作在2.35GHz和1.68GHz的双波段天线已经通过一个单层EBG结构实现。优化完成之后，就将制造出这个单层结构，并对其进行测量。测量结果将在会议中公布。

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