一种新型EBG结构的惠更斯源天线设计

一种新型EBG结构的惠更斯源天线设计
刘辉;史美霞;崔岭芝;孙绪保
【摘要】通过在传统边缘金属孔的电磁带隙结构贴片表面引入圆弧环槽,提出了一种新型的小型化EBG(Electromagnetic Band Gap)结构.该圆弧环形槽的引入增大了贴片表面上的电流路径长度,减小了天线的谐振频率.将新型EBG结构与电小惠更斯源天线相结合实现了高方向性.仿真结果表明,该天线降低了0.623 GHz的中心频率,可涵盖GPS的L3频段,增益提高了1.02 dB.
【期刊名称】《通信技术》
【年(卷),期】2018(051)008
【总页数】3页(P2008-2010)
【关键词】电磁带隙结构;电小惠更斯源天线;小型化;增益
【作者】刘辉;史美霞;崔岭芝;孙绪保
【作者单位】山东科技大学电子通信与物理学院,山东青岛 266590;山东科技大学电子通信与物理学院,山东青岛 266590;山东科技大学电子通信与物理学院,山东青岛 266590;山东科技大学电子通信与物理学院,山东青岛 266590
【正文语种】中文
【中图分类】TN820
0 引言
20世纪90年代末，自UCLA的D.Sievenpiper提出了一种谐振蘑菇型EBG结构
即Mushroom-Like EBG结构后，在微波领域，这种EBG结构因其自身的抑制表面波特性和同向反射特性，逐渐开阔了各国研究者的设计空间，突破了传统天线的局限，提高了天线的各方面性能，并得到了广泛应用。

近年来，电小惠更斯源天线由于具有相对较小的电尺寸以及与生俱来的高方向性，受到学者们的广泛关注和深入研究。

电小惠更斯源天线具有不依赖金属的特性[1]，与多辐射单元的八木天线相比，更容易实现低剖面设计。

为了实现惠更斯源天线的小型化设计，其中比较有效的方法是在惠更斯源天线的基础上加载EBG结构。

文
献[2]利用多层PCB技术实现了工作在28 GHz的平面电小惠更斯源天线的设计；文献[3]利用近场寄生耦合原理实现了电小平面型惠更斯源天线，但是这种天线结
构相对复杂。

本次设计选用传统电小惠更斯源天线作为主要辐射体，与贴片表面引入圆弧环槽的ELV-EBG（Edge-Located Via Mushroom-type EBG）结构相结合，工作于
1.39 GHz。

1 新型电磁带隙结构
文献[4]提出了一种比较容易实现小型化的ELV-EBG结构。

这种结构的主要特点是将金属孔由贴片的中心位置移至贴片的边缘位置，但这种方法在减小谐振频率方面效果不明显[5]。

所以，在ELV-EBG结构的表面引入圆弧环槽，使其电流的流经长度延长，整个并联LC回路的谐振频率为：
其中：
引入圆弧环槽的电磁带隙单元结构如图1所示，EBG贴片边长a=3.5 mm，两贴
片之间的间隙g=3.3 mm，金属孔半径r1=0.4 mm，圆弧环槽内径r2=0.8 mm，圆弧环槽外径w1=2.4 mm，圆弧环槽宽度w2=0.4 mm。

图1 圆弧环槽电磁带隙单元结构
2 天线整体结构
利用近场耦合谐振技术，呈现电性的近场谐振寄生（NFRP）元件平行于xoy平面放置，沿x轴定向，位于上层介质基板的顶面，相对于x轴产生电偶极子场；呈
现磁性的NFRP元件平行于xoy平面放置，沿y轴定向，位于下层介质基板的顶面，相对于y轴产生磁偶极子场。

激励单元位于上层介质基板的底面，与同轴线
的内外导体相连接，EBG结构位于下层介质基板的内部。

采用同轴馈电的方式，
通过将电、磁性NFRP元件垂直放置的有机结合，使得激励幅度和相位中心尽可
能相等[6]，实现单个馈源点非平衡馈电的电小惠更斯源天线。

这种方法由于不需
要采用巴伦进行平衡转换，结构较简单。

天线整体设计采用两层介质基板共同实现，电性NFRP元件被设计成对称“山”
字型结构，在增长电流路径的同时，减小了电偶极子与磁偶极子之间正对面的相互耦合，比较容易实现天线的性能。

此外，将表面引入圆弧环槽的EBG结构加载在
惠更斯源天线的下方。

上层基板选取半径大小为16.25 mm，厚度h1=0.787 mm，相对介电常数εr=2.2的Rogers Duroid 5880作为介质基板；下层基板选取半径大小为16.25 mm，厚度h2=1.6 mm，相对介电常数εr=40，损耗角正切值为0.001 5的Trans-Tech MCT-40陶瓷材料作为EBG的介质基板。

天线的整体结构图如图2所示，其中圆弧环槽EBG结构加载在下层介质基板的中
下部分，有利于减小谐振频率点以及实现高辐射效率。

经过计算及仿真，得到优化后的天线参数为：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。

图2 天线结构
3 仿真性能分析
通过HFSS 15.0对天线模型进行仿真分析，得到电磁波在波导中传播的S参数随
频率变化的曲线。

图3给出了加载EBG结构和未加载EBG结构的回波损耗S11
仿真结果对比图。

虚线是传统的电小惠更斯源天线的S11曲线，谐振频率2.013 GHz，阻抗带宽24 MHz（2.000～2.024 GHz，1.2%）；实线表示的是加载圆弧环槽EBG结构后的S11曲线，谐振频率1.39 GHz，阻抗带宽30 MHz（1.374 7～1.404 7 GHz，2.16%），可以涵盖GPS的L3频段。

通过比较可知，加载圆
弧环槽EBG结构后，降低了0.623 GHz的谐振频率，实现了天线的小型化。

图3 S11曲线对比
图4 为加载EBG结构前后电小惠更斯源天线在谐振点处辐射方向图的仿真结果对比，其中实线为E面辐射方向图，虚线为H面辐射方向图。

由图4可知，加载EBG结构后增益提高了1.02 dB。

图4 加载EBG结构前后天线辐射方向图对比
4 结语
本文设计了一种小型化的组合结构，将圆弧环槽EBG结构与惠更斯源天线相结合，采用平面两层结构，具有电小的物理尺寸。

整个天线系统只有一个馈电点，与50 Ω源匹配良好，方向性较高。

加载EBG结构后，该天线的中心频率降低了0.623 GHz，阻抗带宽可以涵盖GPS的L3频段，增益提高了1.02 dB。

可见，该圆弧环槽EBG结构在改善天线性能方面具有良好的参考价值。

【相关文献】
[1] Ng J,Ziolkowski bining Metamaterial-inspired Electrically Small Antennas with Electromagnetic Band Gap(EBG) Structures to Achieve Higher Directivities and
Bandwidths[C].Proc. 2012 International Workshop on Antenna Technology，2012∶189-192.
[2] 石婷,唐明春.一种工作在28GHz的平面多层电小惠更斯源天线[D].重庆∶重庆大学,2017.SHI Ting,TANG Ming-chun.A Design of 28 GHz,Planar,Multi-Layered,Electrically Small,Huygens S ource Antennas[D].Chongqing∶Chongqing University,2017.
[3] Jin P,Ziolkowski R W.Metamaterial-inspired,Electrically Small,Huygens Sources[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2010(09)∶501-505.
[4] Eva R I,Luis I S,Jose L.Size Reduction of Mushroomtype EBG Surfaces by Using Edge-located Vias[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2007(09)∶670-672. [5] 张琰.小型化及多频电磁带隙结构的研究[D].广州∶华南理工大学,2014.ZHANG Yan.The Research of Compact and Multiband EBG[D].Guangzhou∶South China University of Technology,2014.
[6] Tang M C,Wang H,Ziolkowski R W.Design and Testing of Simple,Electrically Small Low-profile,Huygens Source Antennas with Broadside Radiation Performance[J].IEEE Transactions on Antennas Propagation,2016(11)∶4607-4617.。