劉 輝，史美霞，崔嶺芝，孫緒保

（山東科技大學(xué) 電子通信與物理學(xué)院，山東 青島 266590）

0 引 言

20世紀90年代末，自UCLA的D.Sievenpiper提出了一種諧振蘑菇型EBG結(jié)構(gòu)即Mushroom-Like EBG結(jié)構(gòu)后，在微波領(lǐng)域，這種EBG結(jié)構(gòu)因其自身的抑制表面波特性和同向反射特性，逐漸開闊了各國研究者的設(shè)計空間，突破了傳統(tǒng)天線的局限，提高了天線的各方面性能，并得到了廣泛應(yīng)用。

近年來，電小惠更斯源天線由于具有相對較小的電尺寸以及與生俱來的高方向性，受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注和深入研究。電小惠更斯源天線具有不依賴金屬的特性[1]，與多輻射單元的八木天線相比，更容易實現(xiàn)低剖面設(shè)計。為了實現(xiàn)惠更斯源天線的小型化設(shè)計，其中比較有效的方法是在惠更斯源天線的基礎(chǔ)上加載EBG結(jié)構(gòu)。文獻[2]利用多層PCB技術(shù)實現(xiàn)了工作在28 GHz的平面電小惠更斯源天線的設(shè)計；文獻[3]利用近場寄生耦合原理實現(xiàn)了電小平面型惠更斯源天線，但是這種天線結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。

本次設(shè)計選用傳統(tǒng)電小惠更斯源天線作為主要輻射體，與貼片表面引入圓弧環(huán)槽的ELV-EBG（Edge-Located Via Mushroom-type EBG）結(jié)構(gòu)相結(jié)合，工作于1.39 GHz。

1 新型電磁帶隙結(jié)構(gòu)

文獻[4]提出了一種比較容易實現(xiàn)小型化的ELV-EBG結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的主要特點是將金屬孔由貼片的中心位置移至貼片的邊緣位置，但這種方法在減小諧振頻率方面效果不明顯[5]。所以，在ELV-EBG結(jié)構(gòu)的表面引入圓弧環(huán)槽，使其電流的流經(jīng)長度延長，整個并聯(lián)LC回路的諧振頻率為：

其中：

引入圓弧環(huán)槽的電磁帶隙單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，EBG貼片邊長a=3.5 mm，兩貼片之間的間隙g=3.3 mm，金屬孔半徑r1=0.4 mm，圓弧環(huán)槽內(nèi)徑r2=0.8 mm，圓弧環(huán)槽外徑w1=2.4 mm，圓弧環(huán)槽寬度w2=0.4 mm。

圖1 圓弧環(huán)槽電磁帶隙單元結(jié)構(gòu)

2 天線整體結(jié)構(gòu)

利用近場耦合諧振技術(shù)，呈現(xiàn)電性的近場諧振寄生（NFRP）元件平行于xoy平面放置，沿x軸定向，位于上層介質(zhì)基板的頂面，相對于x軸產(chǎn)生電偶極子場；呈現(xiàn)磁性的NFRP元件平行于xoy平面放置，沿y軸定向，位于下層介質(zhì)基板的頂面，相對于y軸產(chǎn)生磁偶極子場。激勵單元位于上層介質(zhì)基板的底面，與同軸線的內(nèi)外導(dǎo)體相連接，EBG結(jié)構(gòu)位于下層介質(zhì)基板的內(nèi)部。采用同軸饋電的方式，通過將電、磁性NFRP元件垂直放置的有機結(jié)合，使得激勵幅度和相位中心盡可能相等[6]，實現(xiàn)單個饋源點非平衡饋電的電小惠更斯源天線。這種方法由于不需要采用巴倫進行平衡轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)較簡單。

天線整體設(shè)計采用兩層介質(zhì)基板共同實現(xiàn)，電性NFRP元件被設(shè)計成對稱“山”字型結(jié)構(gòu)，在增長電流路徑的同時，減小了電偶極子與磁偶極子之間正對面的相互耦合，比較容易實現(xiàn)天線的性能。此外，將表面引入圓弧環(huán)槽的EBG結(jié)構(gòu)加載在惠更斯源天線的下方。上層基板選取半徑大小為16.25 mm，厚度h1=0.787 mm，相對介電常數(shù)εr=2.2的Rogers Duroid 5880作為介質(zhì)基板；下層基板選取半徑大小為16.25 mm，厚度h2=1.6 mm，相對介電常數(shù)εr=40，損耗角正切值為0.001 5的Trans-Tech MCT-40陶瓷材料作為EBG的介質(zhì)基板。

天線的整體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，其中圓弧環(huán)槽EBG結(jié)構(gòu)加載在下層介質(zhì)基板的中下部分，有利于減小諧振頻率點以及實現(xiàn)高輻射效率。經(jīng)過計算及仿真，得到優(yōu)化后的天線參數(shù)為：L1=1.5 mm，L2=5.25 mm，L3=23 mm，L4=1.2 mm，L5=0.75 mm，R1_int=14 mm，R1_ext=16.2 mm，R2_int=13.25 mm，R2_ext=16.26 mm，h1=0.787 mm，h2=1.6 mm，h3=7.5 mm，h4=10.9 mm。

圖2 天線結(jié)構(gòu)

3 仿真性能分析

通過HFSS 15.0對天線模型進行仿真分析，得到電磁波在波導(dǎo)中傳播的S參數(shù)隨頻率變化的曲線。圖3給出了加載EBG結(jié)構(gòu)和未加載EBG結(jié)構(gòu)的回波損耗S11仿真結(jié)果對比圖。虛線是傳統(tǒng)的電小惠更斯源天線的S11曲線，諧振頻率2.013 GHz，阻抗帶寬24 MHz（2.000～2.024 GHz，1.2%）；實線表示的是加載圓弧環(huán)槽EBG結(jié)構(gòu)后的S11曲線，諧振頻率1.39 GHz，阻抗帶寬30 MHz（1.374 7～1.404 7 GHz，2.16%），可以涵蓋GPS的L3頻段。通過比較可知，加載圓弧環(huán)槽EBG結(jié)構(gòu)后，降低了0.623 GHz的諧振頻率，實現(xiàn)了天線的小型化。

圖3 S11曲線對比

圖4 為加載EBG結(jié)構(gòu)前后電小惠更斯源天線在諧振點處輻射方向圖的仿真結(jié)果對比，其中實線為E面輻射方向圖，虛線為H面輻射方向圖。由圖4可知，加載EBG結(jié)構(gòu)后增益提高了1.02 dB。

圖4 加載EBG結(jié)構(gòu)前后天線輻射方向圖對比

4 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種小型化的組合結(jié)構(gòu)，將圓弧環(huán)槽EBG結(jié)構(gòu)與惠更斯源天線相結(jié)合，采用平面兩層結(jié)構(gòu)，具有電小的物理尺寸。整個天線系統(tǒng)只有一個饋電點，與50 Ω源匹配良好，方向性較高。加載EBG結(jié)構(gòu)后，該天線的中心頻率降低了0.623 GHz，阻抗帶寬可以涵蓋GPS的L3頻段，增益提高了1.02 dB。可見，該圓弧環(huán)槽EBG結(jié)構(gòu)在改善天線性能方面具有良好的參考價值。