王 哲

（青島理工大學(xué)通信與電子工程學(xué)院，山東青島,266033）

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一，是信息感知和采集領(lǐng)域的一場(chǎng)革命。無線能量傳輸系統(tǒng)概念的出現(xiàn)，為無線傳感器節(jié)點(diǎn)的供電提供了一種新的解決方案。無線能量傳輸系統(tǒng)接收模塊的功能是由整流天線完成的，而整流天線中接收天線的性能好壞將直接決定整流天線的效率。

光子晶體是指具有光子帶隙（PBG，Photonic Band-gap）特性的人造周期性電介質(zhì)結(jié)構(gòu)。在PBG材料中，某些頻率落在光子帶隙內(nèi)的電磁波被完全禁止在光子晶體中傳播，光子晶體的這種阻帶特性被應(yīng)用于微帶天線和濾波器設(shè)計(jì)方面。在微帶天線中引入PBG結(jié)構(gòu)可以抑制表面波和高次模，提高微帶天線的性能。

1 矩形微帶天線的設(shè)計(jì)與仿真

本文選擇采用相對(duì)介電常數(shù)εr=4.4，厚度h=4mm的介質(zhì)作為基板材料。設(shè)定諧振頻率為915MHz，選擇微帶線饋電的饋電方式，并加入了一段1/4波長(zhǎng)阻抗轉(zhuǎn)換器進(jìn)行阻抗匹配。依據(jù)傳輸線理論設(shè)計(jì)了一個(gè)矩形微帶天線，仿真得到其在基波、二次諧波和三次諧波處的回波損耗分別為-15.1841dB、-7.5209dB和-6.9957dB。

2 PBG結(jié)構(gòu)微帶天線的設(shè)計(jì)與仿真

近年來，各種形式的PBG結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，包括基底鉆孔型、地面腐蝕型、高阻抗表面型、UC-PBG型等等。綜合考慮對(duì)天線性能的提高程度和制作工藝的復(fù)雜程度，本文決定在微帶天線中引入地面腐蝕型光子晶體結(jié)構(gòu)來改善天線的性能，同時(shí)進(jìn)行分析與研究。

在矩形微帶天線中引入周期性單元為圓形和正方形的孔結(jié)構(gòu)，示意圖分別如圖1、2：

圖1 周期性單元為圓形的PBG天線的示意圖

3 PBG結(jié)構(gòu)微帶天線的分析與研究

3.1 孔結(jié)構(gòu)的數(shù)目對(duì)PBG結(jié)構(gòu)微帶天線傳輸特性的影響

設(shè)定孔結(jié)構(gòu)的數(shù)目為9個(gè)，在HFSS中對(duì)建立的模型進(jìn)行仿真得到周期性單元為圓形和正方形的PBG天線的S11參數(shù)曲線圖分別為圖3和圖4：

圖3 周期性單元為圓形的PBG天線的S11參數(shù)曲線圖

圖4 周期性單元為正方形的PBG天線的S11參數(shù)曲線圖具體結(jié)果分別如表1和表2所示：

表1 周期性單元為圓形的PBG天線在諧振點(diǎn)的回波損耗

表2 周期性單元為正方形的PBG天線在諧振點(diǎn)的回波損耗

設(shè)定孔結(jié)構(gòu)的數(shù)目為12個(gè)，仿真得到圓形孔和正方形孔的PBG結(jié)構(gòu)微帶天線的S11參數(shù)曲線圖分別如圖5、6：

圖5 周期性單元為圓形的PBG天線的S11參數(shù)曲線圖

圖6 周期性單元為正方形的PBG天線的S11參數(shù)曲線圖

具體結(jié)果分別如表3和表4所示：

表3 周期性單元為圓形的PBG天線在諧振點(diǎn)的回波損耗

表4 周期性單元為正方形的PBG天線在諧振點(diǎn)的回波損耗

對(duì)比這幾組結(jié)果可知，對(duì)于圓形孔PBG結(jié)構(gòu)微帶天線，12個(gè)孔的對(duì)高次模的抑制作用較大，而9個(gè)孔的在基波處的回波損耗較小、諧振輻射較大；對(duì)于正方形孔PBG結(jié)構(gòu)微帶天線，12個(gè)孔的在基波處的回波損耗較小、諧振輻射較大，而9個(gè)孔的對(duì)高次模的抑制作用較大。

3.2 孔結(jié)構(gòu)的間距對(duì)PBG結(jié)構(gòu)微帶天線傳輸特性的影響

固定圓形孔的半徑和正方形孔的邊長(zhǎng)不變，設(shè)定L3為孔結(jié)構(gòu)沿輻射邊的間距，L4為孔結(jié)構(gòu)沿諧振邊的間距。對(duì)于引入圓形孔結(jié)構(gòu)的PBG結(jié)構(gòu)微帶天線，設(shè)定L4=61mm，L3的取值范圍為56mm-66mm；對(duì)于引入正方形孔結(jié)構(gòu)的PBG結(jié)構(gòu)微帶天線，設(shè)定L4=58.8mm，L3的取值范圍為55mm-62mm。

圖7 PBG結(jié)構(gòu)（圓形孔）微帶天線中L3的掃描仿真結(jié)果

仿真分別得到天線的S11參數(shù)曲線圖如圖7、8，分析圖7中的結(jié)果可知，對(duì)于周期性單元為圓形的PBG結(jié)構(gòu)微帶天線，沿輻射邊的孔間距相對(duì)較大的天線的諧振頻率更接近于普通微帶天線；在L3的取值范圍為60-66mm時(shí)，滿足沿輻射邊的孔間距越大，天線在諧振頻率處的回波損耗越小。

分析圖8中的結(jié)果可知，對(duì)于周期性單元為正方形的PBG結(jié)構(gòu)微帶天線，在沿輻射邊的孔間距發(fā)生變化的情況下，基本上滿足天線的諧振頻率與普通微帶天線的諧振頻率相同。

圖8 PBG結(jié)構(gòu)（正方形孔）微帶天線中L3的掃描仿真結(jié)果

4 總結(jié)

在設(shè)計(jì)地面腐蝕型PBG結(jié)構(gòu)微帶天線的過程中，對(duì)孔結(jié)構(gòu)類型、孔結(jié)構(gòu)的數(shù)目和沿輻射邊的孔間距的選取將直接影響微帶天線的性能。通過分析仿真結(jié)果可以得出以下兩個(gè)結(jié)論：

（1）在需要抑制高次模而允許損失諧振輻射的設(shè)計(jì)中，可以在微帶天線中引入12個(gè)圓形孔結(jié)構(gòu)或者9個(gè)正方形孔結(jié)構(gòu)；在需要抑制高次模而不能損失諧振輻射的設(shè)計(jì)中，可以在微帶天線中引入9個(gè)圓形孔結(jié)構(gòu)或者12個(gè)正方形孔結(jié)構(gòu)。

（2）在9個(gè)孔的PBG結(jié)構(gòu)微帶天線中，其他條件不變時(shí)，沿輻射邊孔間距的改變會(huì)導(dǎo)致圓形孔PBG結(jié)構(gòu)微帶天線的諧振頻率和諧波輻射產(chǎn)生較大的變化；而沿輻射邊孔間距的改變對(duì)正方形孔PBG結(jié)構(gòu)微帶天線的傳輸特性基本不會(huì)產(chǎn)生影響。