二维电磁晶体接地面的禁带测量及其在微带贴片天线上的应用.pdf

2005’全国微波毫米波会议论文集 二维电磁晶体接地面的禁带测量及其在微 带贴片天线上的应用 宁日民 (中国电子科技集团公司第四十一研究所，电子测试技术国家重点实验室青岛266555) 摘要：本文给出了一种二维电磁晶体接地面禁带的简洁测量方法，并分析了这种结构对微带 贴片天线性能的改善作用，这种微带贴片天线被置于具有二维电磁晶体接地面的介质基片 上，此结构能够有效地阻止表面波的传输。我们利用Ansofi公司的高频电磁场仿真软件 HFSS研究了该电磁晶体材料的阻带位置和阻带带宽，以及这种电磁晶体微带天线的输入反 射损耗和方向图等重要参数，并与普通微带贴片天线进行了比较，结果表明，电磁晶体结构 增大了微带天线的工作带宽，提高了前向辐射的增益，因而大大提高了天线的效率。 关键词： 贴片天线；电磁晶体； 表面波； 带宽： 增益 l引言 天线研究历来是电磁场与微波技术专业的一大研究方向。随着我国移动通信、卫星通信 和航空航天技术的发展，对天线的各项性能指标的要求也越来越高。在不同类型的天线中， 微带天线由于其成本低、体积小、剖面薄以及能和集成电路兼容等优点，越来越受到人们的 青睐。但是，其频带窄、增益低以及存在表面波等缺点，却严重阻碍了微带天线的发展和应 用。因此，增加其带宽、提高其增益以及消除表面波便成为了微带天线的一项重点研究课题。 所谓电磁晶体，又称光子带隙材料(Photonic Band．Gap)或称PBG材料，是指介质或金属 的一种人工周期性结构，在光波波段，由于光子在该晶体内部传输的特性类似于电子在半导 体晶体中的运动特性，故又称为光子晶体。电磁晶体在其频率响应范围内具有传输频带和截 止频带，根据电磁晶体对电磁波传播产生的积极或消极影响，表现出不同的通带和阻带，当 某些频带在各个方向上都表现出截止的传输特性时，就称为“频率禁带”，简称为禁带…， 禁带的出现使得电磁波在电磁晶体中的传播表现出明显的选择性，这一特性使得电磁晶体在 光电、微波工程等领域得到广泛的应用。在天线领域，电磁晶体结构被应用于多种新型天线， 如偶极子天线、谐振天线和微带天线等，其中由于电磁晶体微带贴片天线可以做得很薄，不 会影响宇宙飞船、火箭和卫星等的空气动力学性能，加之其散射截面很小、容易做成共形天 线等优点，因此，在航空航天和多种通信领域正在得到越来越多的应用。 对于普通的微带贴片天线，由于天线辐射片周围存在表面波，使得天线效率降低，并会 导致电磁波的多径传输，所以，可以通过在普通接地面上蚀刻出周期性结构，把原来的接地 面替换为阻带中包含天线的谐振频率的接地面，使表面波不能在此结构中传播，事实证明， 这种电磁晶体接地面的引入，不但可以消除表砸波，还可以有效地减小天线的尺寸，增大工 作带宽，从而使得天线的辐射性能得以改善。 本文研究了这种基于电磁晶体接地面的新型微带贴片天线，并与普通的微带贴片天线进 行了比较，证明了电磁晶体接地面可以有效地展宽天线的工作频带，改善天线的方向性。 1509 2005’全国微波毫米波会议论文集 2电磁晶体接地面的禁带测量方法 我们可以利用HFSS，通过计算放置于介质基片上微带线的传输系数(S21)来研究电磁晶 体接地面的禁带特性。由于微带线中的场绝大部分被限制在微带线和接地面之间，因此，这 是一种非常简便的检测电磁晶体材料的周期特性和阻带特性的方法。图1给出了这种测量方 法的结构俯视图。其中，图1．(a)表示微带线横向放置在具有普通接地面的介质基片上；图 l一(b)表示微带线横向放置在具有二维电磁晶体接地面的介质基片上；图1一(c)表示微带线纵 向放置在具有二维电磁晶体接地面的介质基片上。其中，微带线的宽度为2．2mm，聚四氟 乙烯介质基片的厚度为2mm，相对介电常数为10．2。 ●●●●●● ●◆● I●● ●●●●● ●●· ●●