【摘要】本文描述了一個(gè)高性能的在背面加載電磁帶隙結(jié)構(gòu)的雙頻共面貼片天線，天線工作頻率分別為2.45GHz和5GHz，電磁帶隙結(jié)構(gòu)由一個(gè)3*3的單元組成。本論文分別對共面天線，電磁帶隙，和集成的天線做了闡述，盡管EBG結(jié)構(gòu)比較小，但是在抑制背面輻射，提高天線增益方面獲得了很好的效果。

【關(guān)鍵詞】雙頻天線共面天線微帶天線電磁帶隙（EBG）

一、引言

電磁帶隙結(jié)構(gòu)是一種人工的周期結(jié)構(gòu)，用來防止或者增強(qiáng)電磁波在特定的頻帶下的傳播[1]。微帶天線由于低剖面，輕的重量，以及很容易跟其它微波電路集成，所以很受歡迎。本論文中，我們設(shè)計(jì)了一個(gè)加載雙重方型EBG結(jié)構(gòu)的微帶天線，以適應(yīng)快速發(fā)展的高速無線局域網(wǎng)（WLAN），頻率為2.4GHz和5.8GHz，這2個(gè)頻率在工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)藥以及其它個(gè)人通信系統(tǒng)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛。但是，單個(gè)貼片天線的增益往往很低，當(dāng)今有很多種方法用來提高貼片天線的增益。諧振增益方式[2]包括附加一個(gè)鈍化層或者覆蓋層在介質(zhì)板上，或者在貼片下面增加一個(gè)腔體結(jié)構(gòu)，減少有效介電常數(shù)[3]，通過增加一個(gè)寄生元件來減少天線的表面波，同樣能夠增加天線的增益[4]。本設(shè)計(jì)通過加載雙重方型EBG結(jié)構(gòu)是另一種提高天線性能的方式。天線由一個(gè)共面條狀的饋線和共面貼片組成，這種結(jié)構(gòu)能夠提供一個(gè)比較寬的工作帶寬以及更加靈活的頻帶間隔。天線上加載的雙頻EBG結(jié)構(gòu)作為一個(gè)高阻抗表面（HIS）能夠減少天線的背面輻射，從而提高天線的增益。本論文中將EBG結(jié)構(gòu)的共面天線的性能跟普通的雙頻天線做了比較。天線和高阻抗表面帶隙結(jié)構(gòu)采用HFSS微波仿真軟件設(shè)計(jì)。

二、雙頻天線設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的雙頻天線需要覆蓋2.45G和5.825GHz，低頻段的帶寬為2%，高頻段的帶寬為6%。為了實(shí)現(xiàn)帶寬，以及使得天線盡可能的薄，我們通過HFSS設(shè)計(jì)了一系列的共面天線，在[5]中簡要的介紹了其中的一種設(shè)計(jì)。共面的天線結(jié)構(gòu)由一個(gè)內(nèi)部的貼片和外面環(huán)繞的寄生矩形環(huán)組成，由一個(gè)共面的傳輸線進(jìn)行饋電，最外面是地結(jié)構(gòu)，天線尺寸為55mm*55mm，如圖1所示。共面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能夠獲得比微帶貼片天線更大的帶寬。圖2為天線仿真的反射系數(shù)，由圖中可以看出天線工作在2.4GHz和5.8GHz，兩個(gè)頻段的帶寬分別為17.5%和8.2%。由圖3和圖4的方向圖中可以看出，天線前后輻射基本相同，接近于6.1dB。

三、雙頻高阻抗表面設(shè)計(jì)

雙頻高阻抗表面有很多種幾何結(jié)構(gòu)，比如環(huán)繞結(jié)構(gòu)，分形結(jié)構(gòu)，蝶形結(jié)構(gòu)等。在頻率選擇表面設(shè)計(jì)中，同軸的雙重方形帶隙結(jié)構(gòu)應(yīng)用的比較廣泛，同時(shí)這種結(jié)構(gòu)在制作上也相對比較簡單[6]。在本設(shè)計(jì)中，沒有使用通孔的形式，同樣達(dá)到了抑制表面波的效果。高阻抗表面設(shè)計(jì)在2.2mm厚的FR4板子上，尺寸是Lo=36mm，Li=17mm， s=1mm，g=2mm。雙頻EBG結(jié)構(gòu)的諧振頻率由它的尺寸所決定。傳輸響應(yīng)的0反射相位點(diǎn)跟內(nèi)層的方型和外層環(huán)形相對應(yīng)，這樣設(shè)計(jì)是為了使得EBG的0反射相位點(diǎn)最大的接近2.45GHz和5.8GHz。當(dāng)高阻抗表面跟天線集成的時(shí)候，這2個(gè)諧振點(diǎn)可能會(huì)輕微的便宜，需要適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。EBG結(jié)構(gòu)通過HFSS微波軟件進(jìn)行仿真，圖5為同軸方形EBG的最佳尺寸。通過仿真，我們知道增加縫隙g會(huì)增大2個(gè)頻率的諧振點(diǎn)，增大Lo和Li會(huì)減小相應(yīng)的諧振點(diǎn)。內(nèi)層貼片和外層環(huán)之間的開槽s，可以用來控制高頻段的諧振點(diǎn)。

四、雙頻天線加載高阻抗表面

我們設(shè)計(jì)了一個(gè)EBG陣列結(jié)構(gòu)作為低剖面天線的高阻抗平面，用來減少天線的背面輻射，同時(shí)也盡可能的減少跟其它天線之間的耦合。在這個(gè)部分，我們把雙頻CPW加載到3*3的EBG結(jié)構(gòu)陣列上，完整的集成天線如圖6所示。在天線跟EBG平面之間加了個(gè)1mm厚的R0hacell（介電常數(shù)=1.006），用來防止天線連接頭跟單元接觸。在實(shí)際中，共面饋線會(huì)延伸到EBG結(jié)構(gòu)的邊緣。EBG天線的全部厚度為4.48mm，大約為2.45GHz時(shí)候的0.036波長。完整的加載EBG結(jié)構(gòu)的天線的反射系數(shù)如圖7所示。通過仿真可以看到，集成結(jié)構(gòu)的天線在低頻段的帶寬為4%，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于共面天線的17.5%，而在高頻段也是類似的，集成結(jié)構(gòu)的帶寬為7.6%，小于單獨(dú)天線的8.2%。但是等效的微帶天線在這2個(gè)頻段的帶寬只有2.5%和4.6%。

最后，我們分別對加載高阻抗表面的天線和單獨(dú)的天線在2.45G和5.8G時(shí)候的輻射方向圖進(jìn)行了比較，圖8和圖9是它們的方向圖。沒有EBG結(jié)構(gòu)的共面天線的方向圖跟一個(gè)偶極子的方向圖類似，基本趨向于全向輻射。在共面天線的背面放置EBG結(jié)構(gòu)，在低頻段至少減少了12dB的背向輻射，從而提高了3dB的正向輻射，證明了EBG結(jié)構(gòu)的效果，在高頻段也同樣的顯示了跟低頻段同樣的效果，抑制背面輻射，提高正向輻射。集成天線在2.45GHz和5.8GHz時(shí)候的增益分別為9.2dB和10.3dB，而共面天線的增益分別為6dB和6.2dB。

五、總結(jié)

本論文闡述了一個(gè)工作在無線局域網(wǎng)的雙頻加載EBG表面的共面天線，集成的天線在2.45GHz的工作帶寬為4%，在5.8GHz的工作帶寬為7.6%，而等效的微帶貼片天線在這2個(gè)頻段只有2.5%和4.6%的帶寬。EBG結(jié)構(gòu)作為一個(gè)高阻抗表面，由一個(gè)3*3的陣列組成。盡管EBG結(jié)構(gòu)相對的比較小，但是天線在抑制背面輻射，提高輻射增益方面得到了很大的改善，大大的提高了天線的性能，獲得了10.2dB的正向增益。

參考文獻(xiàn)

[1] Yang， F.， Rahmit-Samii， Y.：‘Electromagnetic band gap structures in antenna engineering’（Cambridge University， 2009， 1st edn.）

[2] Jackson， D.R.， Alexopoulos， N.G.：‘Gain enhancement methods for printed circuit antennas’， IEEE Trans. Antennas Propag.， 1987， 33， pp. 976～987

[3] Lee， K.-F.， Ho， K.Y.， Dahele， J.S.：‘Circular-disk microstrip antenna with an air gap’， IEEE Trans. Antennas Propag.， 1984， 32， pp. 880 884

[4] P. S. Hall and Y. Hao， Eds.， Antennas and Propagation for Body Centric Communications Systems. Norwood， MA： Artech House， 2006.

[5] E. C. Kohls et al.，“A multi-band body-worn antenna vest，”in Proc IEEE Antennas Propag. Int. Symp.， 2004， vol. 1， pp. 447 450.

[6] D. F. Sievenpiper et al.，“High-impedance electromagnetic surfaces with a forbidden frequency band，”IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques， vol. 47， no. 11， pp. 2059 2074， Nov. 1999.