基于EBG结构的天线阵降耦合效应研究

基于EBG结构的天线阵降耦合效应研究
辛毅;刘运林
【摘要】Based on EBG(Electromagnetic Band Gap) structure, a micro-strip array antenna is designed. Its periodical structure and band-gap characteristics could effectively reduce the coupling of between antenna arrays. Due to adoption of single EBG or single periodical EBG, the Antenna isolation ratio is guitely sensitive to the patch size and the distance of between the elements. Based on this feature, the effects of EBG structure on array antenna respectively in unit five and six are compared, finally reaching the optimal solution. In addition, the EBG structure in units six, cycles three is applied to remarkably improving the isolation degree of between the antennas, thus laying certain foundations for future research
of compact antenna. For this reason,this paper is of certain reference value.%设计了一款基于电磁带隙结构EBG（Electromagnetic Band Gap）的微带阵列天线，利用其周期性结构和禁带的特性，有效降低天线阵列单元间的互耦。

由于采用单个EBG 或单个周期，天线隔离度对贴片单元的尺寸和单元间的距离非常敏感。

利用这一特性，分别对五单元、六单元的 EBG 结构对阵列天线的影响进行分析对比，最终得到最优方案，并运用六单元三周期的EBG 结构，使天线间的隔离度显著改善，为以后紧凑型天线的研究奠定了基础，具有一定的参考价值。

【期刊名称】《通信技术》
【年(卷),期】2017(050)001
【总页数】4页(P46-49)
【关键词】新型材料;阵列天线;耦合;贴片单元
【作者】辛毅;刘运林
【作者单位】西南交通大学物理科学与技术学院，四川成都611756;西南交通大学物理科学与技术学院，四川成都611756
【正文语种】中文
【中图分类】TN820.8
近年来，随着人们对阵列天线研究的深入，对新型材料的研究和发展，电磁带隙（EBG）结构成为人们研究的焦点。

由于电磁带隙结构本身具有的禁带特性和紧凑型，使其在提高阵列单元之间的隔离度上具有显著优势和广泛的应用前景。

文献[1]中，Fang Yang等人利用多个周期的EBG结构，将隔离度提高到了8 dB，互耦从-16.8 dB降低到-24.6 dB。

文献[2]采用四周期EBG结构，将圆极化阵列天线间单元的隔离度提高了5 dB。

文献[3]则采用多个周期的平面EBG结构以及多层贴片的技术，将阵列天线的隔离度改善了10 dB。

通过以上研究不难看出，合理利用EBG结构能够较大程度地改善和提升天线隔离度问题。

本文研究了多周期多单元的EBG结构对天线间微弱耦合影响下的改善，采用三周期六单元结构在中心频率为6 GHz下进行分析。

研究表明，天线耦合效应中运用此EBG结构的设计，可以为以后研究提供一定的指导作用。

EBG常采用蘑菇形结构。

为方便设计，本文采用的结构是定义的Material1，相对介电常数为2.65，短路销钉的半径r=0.5 mm。

本文采用一种基于TEM波导的传输线模型，快速计算得到EBG结构的谐振频率及符合要求的最佳尺寸[4-5]。

模型如图1所示，采用六单元的EBG结构，模型的两边设置为H边界，顶部和底部设置为E边界，两端则为波端口。

通过仿真可知，单元大小对谐振频率影响很大。

本文设计的EBG贴片尺寸为8 mm× 8 mm×2 mm，辐射贴片大小为7 mm×7 mm，在中心频率为6 GHz处进行仿真，观察EBG结构的禁带特性，分别如图2、图3所示。

可见，设计的EBG结构在4.4～7.8 GHz范围内具有较好的禁带特性。

该结构可用于本文设计的中心频率为6 GHz的阵列天线中。

本文研究的是中心频率为6 GHz的微带阵列天线隔离度问题，首先设计了单元微
带的阵列天线模型。

馈电方式采用同轴线馈电，介质板为Rogers RT/duroid 5880，相对介电常数为2.2，厚度h为1 mm，贴片长度24 mm，宽度28 mm。

单元贴片天线模型图如图4所示。

根据图5，可见频带为5.78～5.94 GHz。

两个
贴片阵列模型图如图6所示，两贴片天线的间距为48 mm。

根据图7，可知频带
宽度几乎无变化。

根据图8，可见两单微带天线的隔离度为-32.5 dB。

为了兼顾天线的尺寸和效果，当EBG结构单元个数小于4时，EBG的禁带特性等功能一般。

所以，下面将对三周期五单元的EBG结构进行研究，观察天线间距减
小8 mm时各参数的变化，模型如图9所示。

从图9、图10可以看出，其隔离度约为-31.5 dB。

相比无EBG结构的阵列天线，有1 dB的改善。

对三周期五单元的EBG加入到阵列天线的分析表明，它对天线的隔离度有了些许
改进。

为了获得更好的隔离度，下面对三周期六单元EBG结构加入到阵列天线中
进行分析对比。

图11为采用三周期EBG结构的阵列天线，单个天线的尺寸未做
改变，增加了一个小的EBG单元，天线的尺寸增加8mm。

根据图12可以看出，天线的带宽为5.81～5.93 GHz。

相比无EBG结构，稍有减小。

根据图13可以看出，天线的隔离度为-35.59 dB。

相比无EBG结构，它有了3 dB的改善。

在尺寸增加不大时，能有2 dB隔离度的改善。

可见，三周期六单元EBG结构在该类型
天线的设计上具有一定价值。

通过分析三周期五单元、六单元EBG结构的阵列天线隔离度可知，多周期EBG提高隔离度时，需要仔细衡量EBG天线的尺寸和相关间距。

因此，根据不同的需求
取得最优值，才能得到相应隔离度的改善。

本文采用三周期六单元的EBG结构对中心频率为6 GHz的阵列天线的隔离度进行改善。

在该阵列天线本身具有不错的隔离度基础上，利用设计的EBG结构，在隔离度上获得了3 dB的提高。

可见，此设计是一种兼顾尺寸和性能的改良，对提高天线的隔离度研究具有一定的参考价值。

【相关文献】
[1] Yang F,Rahmat-Samii Y.Microstrip Antennas Integrated with Electromagnetic Band-gap(EBG) Structures:A Low Mutual Coupling Design for Array Applications[J].IEEE Trans. Antennas Propag.,2003,51(10):2936-2946.
[2] Exposito-Dominguez G,Fernandez-Gonzalez J M,Padilla P,et al.Mutual Coupling Reduction Using EBG in Steering Antennas[J].Antennas and Wireless Propagation Letters,2012(11):1265-1268.
[3] Rajo-Iglesias E,Quevedo-Teruel O,Inclan-Sanchez L.Mutual Coupling Reduction in Patch Antenna Arrays by Using a Planar EBG Structure and a Multilayer Dielectric Substrate[J].Antennas and Propagati on,2008,56(06):1648-1655.
[4] Schaub D E,Oliver D R.Rapid Simulation of Linear PBG Microstrip Structures Using the Rayleign Multipole Method[J].IEEE Trans. Microw. Theory Tech.,2008,56(01):49-55.
[5] Peng L,Ruan C L,Li Z Q.A Novel Compact and Polarization-dependent Mushroom-type EBG Using CSRR for Dual/triple-band Applications[J].IEEE Microw. Wireless Compon. Lett.,2010,20(09): 489-491.。