設(shè)計采用PBG結(jié)構(gòu)的貼片天線并進(jìn)行仿真分析

由于微帶貼片天線具有體積小、重量輕、低剖面、易加工、共形等優(yōu)點(diǎn)，所以在軍事和民用方面都有著廣泛的應(yīng)用前景。眾所周知，集成電路的基底是一些高介電常數(shù)材料，而微帶貼片天線在低介電常數(shù)基底上才能獲得最佳性能。位于高介電常數(shù)基底的貼片天線由于表面波的損耗輻射效率很低，并且頻率帶寬極窄，當(dāng)應(yīng)用的頻率變高時這種情況更加突出，導(dǎo)致貼片天線的增益和效率下降，并且在陣列情況下還會有高的交叉極化電平和互耦電平。為了實(shí)現(xiàn)微帶貼片天線的集成化，同時避免昂貴的基底混合技術(shù)，就必須在高介電常數(shù)基底上實(shí)現(xiàn)高效率的貼片天線。近年來出現(xiàn)的新型光子晶體貼片天線能夠較好地改善以高介電常數(shù)介質(zhì)為基底的貼片天線的性能。光子晶體貼片天線是指基于光子晶體的貼片天線。所謂光子晶體，或稱PBG材料，是指將高介電常數(shù)的介質(zhì)周期性的放置所產(chǎn)生的一種人工電磁晶體，該電磁晶體的表面波波矢圖在某一頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)一個頻率禁帶，簡稱禁帶。通過在貼片天線中人為的引入光子晶體結(jié)構(gòu)，并利用光子晶體的禁帶效應(yīng)，抑制沿基底傳播的表面波，增加天線輻射到空間的電磁波，從而改善天線的性能。本文所采用的高阻抗表面型PBG結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、帶隙性能好、可以集成等優(yōu)點(diǎn)，在天線的設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用。

1 PBG天線設(shè)計

本文設(shè)計的矩形貼片天線，是中心頻率為10 GHz的矩形微帶天線(輻射元為矩形)，饋電方式選為中心側(cè)饋。采用ROGER3010材料做為基板，厚度h=1．28 mm，相對介電常數(shù)=10．2。矩形貼片的尺寸為L×W。貼片單元的尺寸由經(jīng)驗公式計算可以得出：

利用ADS自帶的計算傳輸線的軟件LineCalc來計算傳輸線的寬度ω=0．162 mm。

PBG材料的設(shè)計首先利用等效媒質(zhì)模型得到初始的參數(shù)，更準(zhǔn)確的參數(shù)則通過全波數(shù)值仿真獲得。由于高阻抗表面PBG結(jié)構(gòu)的周期大小遠(yuǎn)小于工作波長，適合用集總電路元件(電容、電感)組成的等效LC并聯(lián)諧振電路來描述其電磁特性。像電路濾波器一樣阻止沿表面?zhèn)鬏數(shù)?a href="http://wenjunhu.com/tags/電流/" target="_blank">電流。如前所述，蘑菇型高阻抗表面相鄰貼片間的電容效應(yīng)(介質(zhì)基片既起著支撐作用，又達(dá)到增強(qiáng)電容的效果)，與金屬過孔的等效電感組成集中參數(shù)的并聯(lián)諧振電路。這里有高阻面的設(shè)計公式：

式中：εr是介質(zhì)的介電常數(shù)；t是高阻面的高度；g是周期間距；ω是單元邊長；a為周期。

最后得到的設(shè)計結(jié)果是，ω=1．73 mm，g=0．22 mm(如圖2(b)所示)。

2 建模與仿真

根據(jù)設(shè)計的PBG天線的結(jié)構(gòu)，在HFSS中建模并仿真。模型圖如圖3所示.

仿真得到的反射系數(shù)圖如圖4和圖5所示。

可以看到回波損耗小于-10 dB的帶寬約為600 MHz，參考天線諧振頻率為9．96 GHz，PBG微帶天線諧振頻率為10．05 GHz。PBG天線的諧振頻率比參考天線略高，這是因為二者之間的耦合造成的。二者在9．99 GHz具有相同的反射系數(shù)-21．28 dB，在這個頻率上仿真得到其方向圖如圖6和圖7所示。可以看到PBG結(jié)構(gòu)使方向性有所增強(qiáng)，天線的增益大約提高0．53 dB。PBG貼片天線因為表面波被抑制從而增強(qiáng)了主模的輻射幅度而使增益提高。

3 結(jié) 語

本文對高阻抗型PBG結(jié)構(gòu)的微帶天線進(jìn)行了設(shè)計和仿真，求解了PBG結(jié)構(gòu)的微帶貼片天線和常規(guī)微帶貼片天線輻射方向圖。仿真結(jié)果證明，在表面波的影響比較顯著的情況下，PBG材料的引入可以有效抑制表面波的傳播，提高天線的增益，優(yōu)化天線的方向圖。證明了光子帶隙結(jié)構(gòu)確實(shí)能夠壓制表面波，提高輻射增益。得出的結(jié)論對微帶天線的計算及工程設(shè)計上有一定的意義。