CN102820501A - 一种面向超宽带天线的交叉型h-型槽分形uc-ebg结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种面向超宽带天线的共面紧凑型电磁带隙(Uniplanar Compact Electromagnetic bandgap，UC-EBG)结构及其设计方法，属于电磁传播与接收的技术领域。本发明设计的异向H-型槽分形(H-shaped Slot Fractal，HSF)UC-EBG周期单元，沿x₁方向排列5个时，带隙为1.30GHz-2.58GHz；沿y₁方向排列5个时，带隙为2.57GHz-4.31GHz。当沿x₁方向和y₁方向排列的单元交叉排列时，形成的准同向交叉型HSF-UC-EBG结构沿两个正交方向(设为x₂和y₂方向)具有相似的带隙特性，带隙分别为1.40GHz-4.93GHz和1.37GHz-4.93GHz，相对带宽高达111.0％以上。本发明提出超宽带HSF-UCEBG结构实际可用于相应频段的超宽带天线中，解决了传统UC-EBG结构因相对带宽窄(一般5％-27％之间)，难以应用于宽带系统中这一难题。

Description

一种面向超宽带天线的交叉型H-型槽分形UC-EBG结构及其设计方法

技术领域

本发明提供一种面向超宽带天线的共面紧凑型电磁带隙(Uniplanar CompactElectromagnetic Band Gap，UC-EBG)结构及其设计方法，属于电磁传播与接收的技术领域。

背景技术

1.UC-EBG结构的优点

EBG结构是一种具有频率带隙的周期电磁结构，根据结构特性主要可以分为四类：接地板缺陷型，基地打孔型，高阻抗表面型，共面紧凑型(UC-EBG)。其中UC-EBG结构相比其它三种具有很多优势：

(1)与接地板缺陷型相比，UC-EBG具有更紧凑的特性；

(2)与基地打孔型相比，UC-EBG不需要在介质基板上打孔(打孔会降低结构的机械强度)，只需在接地金属板上蚀刻出周期结构；

(3)与高阻表面EBG结构相比，UC-EBG表面没有通过金属棒与接地板连接起来，因而加工简单，成本低；

(4)它依靠本身的结构来实现带阻特性，在电路的集成性、重量及成本上具有不可代替的优势。

2.UC-EBG结构的应用前景

当今社会正处于信息时代，人们对通信的要求越来越高。随着移动通信系统在容量和质量上的不断升级，再加上空间电子技术的飞速发展，势必将带动用于通讯终端设备的电子元器件的同步发展，为开发新器件提供了空前的机遇。新型的电子元器件将较大地改善现有器件的性能，甚至取代它们。其中EBG结构，由于其在一定的频带内具有抑制表面波、能实现同相反射等特性，可以改善器件的功率效率、提高器件品质因素、改变相位特性等作用，因而在提高微波器件的性能方面脱颖而出，成为微波领域中的一个研究热点，尤其是在提高微波电路及天线性能方面，EBG结构具有巨大的应用价值。

如前所述，由于UC-EBG结构相比其他三种类型的EBG结构具有结构紧凑，形式灵活、便于通过集成工艺方便地实现等优势，必将在移动通信、卫星通信、航空航天等众多领域发挥它的作用。目前UC-EBG结构主要涉及滤波器、混合器、谐振器、高效放大器、谐波抑制器、高性能微波天线等等。尤其是对其在改善天线性能方面研究，一直是热点，国内外在这方面取得了一系列成果：Roberto等人将UC-EBG结构用作贴片天线的衬底，可以在保持交叉极化不变的情况下，将天线的增益提高3dB(文献1，Roberto Coccioli，Fei-Ran Yang，Kuang-PingMa and Tatsuo Itoh，Aperture-coupled patch antenna on UC-EBG substrate，IEEE Transaction onMicrowave Theory and Techniques，Vol.47，No.11，pp.2123-2130.Nov.1999)。Dalia Nashaat等人将UC-EBG结构用于阵列天线，可以在方向图满足要求的情况下，提高天线阵列的增益，减小天线阵列的尺寸(文献2，Dalia Nashaat，Hala A.Elsadek，Esmat A.Abdallah，Magdy F.Iskander，and Hadia M.EI Hennawy.Ultrawide Bandwidth 2×2 Microstrip Patch Array AntennaUsing Electromagnetic Band-Gap Structure(EBG).IEEE Transaction on Antennas and Propagtion，Vol.59，No.5，May 2011)。将UC-EBG结构用于天线阵列可以减小天线单元之间的互耦，提高天线的性能等(文献3，Hossein Sarbandi Farhani，Mehdi Veysi，Manouchehr Kamyab，and AlirezaTadjalli.Mutual Coupling Reduction in Patch Antenna Arrays Using a UC-EBG Supersubstrate.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，Vol.9.pp.57-59.2010)。

3.宽带UC-EBG结构的实现方法

由于现代移动通信飞速地发展，信道容量不断扩充，传输效率不断提高，因此宽带器件的研究有着重要意义。然而，UC-EBG结构相对带宽较窄，一般在5％-27％之间(文献4，FuY，Yuan N，and Zhang G.Compact high-impedance surfaces incorporated with interdigital structure.Electronic Letters，Vol.40，No.5，pp.310-311.2004；文献5，Lin B Q，Cao X Y，Yang Y M，and WenX.Compact high-impedance surfaces integrated with rhombic interdigital structure.ElectronicsLetters，Vol.43，No.20，pp.1100-1101.2007)。展宽UC-EBG结构带隙带宽的方法有增加等效电感法(X.Ye，，X.Cao，and F.Li，“Uniplanar EBG structure with improved compact and widebandcharacteristics，”Electron.Lett.，Vol.44 No.23.pp.1362-1363.2008.)，采用多过孔法(T.Wang，T.Han，andT.Wu，“A Novel Power/Ground Layer Using Artificial Substrate EBG for SimultaneouslySwitching Noise Suppression”IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques，Vol.50，No.5，pp.1164-1171.May 2008)等。运用此两种方法能将带宽展宽到49％-68％左右，然而增加等效电感会使表面图案变复杂，增加加工难度，采用多过孔法也会使加工复杂。

发明内容

本发明提出一种通过设计异向UC-EBG结构周期单元，交叉排列异向周期单元的方式来扩展UC-EBG禁带宽度的实现方法。

1.本发明的具体内容如下：

(1)设计了一个异向HSF-UC-EBG结构周期单元(图1所示)：周期单元的尺寸为P，一级H-型槽的槽长和槽宽分别为L和W，二级H-型槽的槽长和槽宽分别为L/2和W.

(2)设计了两个分别沿x₁方向和y₁方向排列5个异向HSF-UC-EBG周期单元的UC-EBG结构模型(如图2(a)，(b)所示)：模型建立在相对介电常数ε_r＝10.2，厚度h＝0.6mm的聚四氟乙烯陶瓷复合双面覆铜板上，将铜箔的一面蚀刻成所设计的H-型槽分形结构，另一面蚀刻成一条微带线。H-型槽的参数为：P＝18mm，L＝10.8mm，W＝1.2mm。通过全波分析法建模(图3所示)，分别仿真出两个结构的S参数，由仿真结果(如图(a)和(b)所示)知，按x₁方向排列的UC-EBG结构的带隙为：1.30GHz-2.58GHz；按y₁方向排列的UC-EBG结构的带隙为：2.57GHz-4.31GHz；

(3)设计了一个交叉型HSF-UC-EBG结构周期单元(图5(a)所示)：该周期单元由4个如图1所示的异向HSF-UC-EBG结构周期单元构成，其两个正交方向分别交叉排列着两个异向HSF-UC-EBG结构周期单元。

(4)设计了一个超宽带的准同向交叉型HSF-UC-EBG结构(图5(b)所示)：该结构的x₂和y₂方向分别排列着3.5个如图5(a)所示的交叉型HSF-UC-EBG结构周期单元。其x₂方向和y₂方向具有相似的超宽带特性，带隙分别为1.40GHz-4.93GHz和1.37-4.93GHz，相对带宽高达111.0％以上，如图6(a)和(b)所示。

2.本发明优点如下：

(1)本发明提出通过设计异向UC-EBG结构周期单元，交叉排列异向周期单元来扩展UC-EBG结构带隙宽度的新方法；

(2)本发明设计的异向HSF-UC-EBG结构周期单元只需3个以上即可形成较宽的禁带；

(3)本发明设计的异向HSF-UC-EBG结构周期单元在沿x₁方向排列5个单元时，出现一个较低频段的宽带隙：1.30GHz-2.58GHz，相对带宽达66.0％；

(4)本发明设计的异向HSF-UC-EBG结构周期单元在沿y₁方向排列5个周期时，出现一个较高频段的宽带隙：2.57GHz-4.31GHz，相对带宽达50.6％；

(5)本发明设计了一个由4个异向HSF-UC-EBG结构周期单元构成的新型交叉型HSF-UC-EBG结构周期单元；

(6)本发明设计的准同向交叉型HSF-UC-EBG结构，沿x₂方向和沿y₂方向具有相似的带隙特性，并且均为超宽带，分别为1.40GHz-4.93GHz和1.37-4.93GHz，相对带宽高达111.0％以上。

(7)本发明设计的超宽带H-型槽分形UC-EBG结构，图形简单，加工容易；

(8)本发明设计的超宽带H-型槽分形UC-EBG结构实际可用于超宽带/多频天线或相应工作频段的电路中。

3.本发明的原理如下：

UC-EBG结构形成带隙的原理：

UC-EBG结构带隙形成是基于谐振机制的，可以用LC等效电路来进行定性分析UC-EBG结构的表面阻抗Z_S为：

$Z_S=\frac{\mathrm{j\ωL}}{1-{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{LC}}---(*)$

由式(*)可知，在谐振频率

处，Z_S趋于无穷大，因此在谐振频率附近表面波不能传播，形成一个表面波带隙。其中L和C主要由UC-EBG结构的表面图案，因此UC-EBG结构的周期单元图案设计对带隙特性形成具有很大的影响。

首先，在周期单元贴片开H型槽，并引入分形结构，形成异向HSF-UC-EBG结构周期单元。异向HSF-UC-EBG结构单元沿x₁方向和沿y₁方向排列，形成的UC-EBG结构具有不同的带隙特性。具体而言在x₁方向出现一个较低频段的带隙，而在y₁方向出现一个较高频段的带隙。

其次，通过数值仿真优化，调节异向HSF-UC-EBG结构的介电常数，周期单元尺寸大小等参数，将沿x₁方向的低频带隙和沿y₁方向的高频带隙调节至相邻或者有部分重叠。此时得出的参数称为优化参数。此时可以预知，若将沿x₁方向和沿y₁方向排列的周期单元交叉着排列，则形成的UC-EBG结构的带隙将为x₁方向的低频带隙和沿y₁方向的高频带隙之和，又因低频带隙和高频带隙已有部分重叠，因而可以形成一个超宽的带隙。

最后，沿x₁方向和沿y₁方向排列的异向HSF-UC-EBG周期单元交叉排列形成一个7×7阵列的准同向交叉型HSF-UC-EBG结构。由前面的原理可知，结构的x₂方向和y₂方向具有相似的超宽带特性。

附图说明

图1是异向HSF-UC-EBG结构周期单元的示意图。周期单元尺寸为P，一级H型槽的长度和宽度分别为L和W表示，二级H型槽的长度和宽度分别为L/2和W表示。

图2(a)，(b)分别为沿x₁方向和沿y₁方向排列5个如图1所示的异向周期单元形成的两个HSF-UC-EBG结构模型。表面图案的具体参数为：P＝18mm，L＝10.8mm，W＝1.2mm。

图3为利用微带新悬置法仿真HSF-UC-EBG带隙的建模结构图：HSF-UC-EBG表面图案蚀刻在以厚度h＝0.6mm，介电常数ε＝10.2的聚四氟乙烯陶瓷复合板为介质基底的覆铜箔板上的，其中铜箔的厚度为T＝0.018mm。模型的背面微带线亦为同样厚度的铜箔，微带线宽度为0.55mm，阻抗为50Ω。微带线的两端在分别连接两个端口，两个端口的阻抗也都设置为50Ω。

图4(a)和(b)为图2(a)和(b)所示的HSF-UC-EBG结构，按图3所示方法仿真出来的S参数结果，其中灰色阴影部分为-20dB带隙。由图可知沿x₁方向排列的模型的带隙为：1.30GHz-2.58GHz；沿y₁方向排列的模型的带隙为：2.57GHz-4.13GHz。

图5(a)由4个如图1所述异向HSF-UC-EBG结构周期单元构成的交叉型HSF-UC-EBG结构周期单元，其两个正交方向(x₂和y₂方向)分别交叉排列着两个沿x₁方向和y₁方向的异向HSF-UC-EBG结构周期单元。图5(b)为一个由交叉型HSF-UC-EBG结构周期单元形成的准同向交叉型HSF-UC-EBG结构，其具体参数与图3所示结构的参数一致。

图6(a)和(b)分别为图5(b)所示的准同向交叉型HSF-UC-EBG结构沿x₂方向和y₂方向的带隙特性仿真图，灰色阴影部分为-20dB带隙。由仿真结果知，该结构两个方向的带隙几乎一致，且具有超宽带特性，起两个方向的带隙分别为：1.40GHz-4.93GHz和1.37-4.93GHz，相对带宽高达111.0％以上。

具体实施方式

通过下面的具体实施方式以进一步阐明本发明实质性特点和显著的进步：

第一步是设计异向周期单元结构：将H-型槽引入UC-EBG结构周期单元的设计中，为了提高单元贴片利用率，引入分形结构，形成一个异向HSF-UC-EBG结构周期单元如图1。由于该周期单元呈180°对称，因此该周期单元沿x₁方向和沿y₁方向排列形成的UC-EBG结构具有不同的带隙特性。

第二步是通过数值建模确定具体参数：数值建模采用悬置微带线模型(如图3所示)，分别仿真异向HSF-UC-EBG结构周期单元沿x₁方向和沿y₁方向排列时的S参数。为了达到展宽带宽的目的，x₁方向和y₁方向的带隙应该调至相邻或者有小部分重叠。为此，调节介质基底的介电常数ε_r，厚度h，周期单元尺寸P，H-型槽槽长L，槽宽W，周期单元的数目N等参数。最终确定了一组优化参数：ε_r＝10.2，h＝0.6mm，P＝18mm，L＝10.8mm，W＝1.2mm。50Ω微带线的宽度为0.55mm。沿x₁方向和y₁方向周期单元数目均为5个.此时，沿x₁方向的模型具有一个较低频段的带隙：1.30GHz-2.58GHz；沿y₁方向的模型具有一个较高频段的带隙：2.57GHz-4.13GHz，如图4(a)和((b)所示。显然，两带隙已经有部分重叠了。

第三步是设计交叉型HSF-UC-EBG结构周期单元：由前面所述的原理可知，将异向HSF-UC-EBG结构周期单元沿x₁方向和y₁方向交叉排列可以将带宽扩展成较低带隙和较高带隙之和。据此，设计出一个由4个异向HSF-UC-EBG结构周期单元构成的交叉型HSF-UC-EBG结构周期单元，其两个正交方向(x₂和y₂方向)分别交叉排列着两个沿x₁方向和y₁方向的异向HSF-UC-EBG结构周期单元，如图5(a)所示。

第四步是设计超宽带HSF-UC-EBG结构：具体方法是将按第三步设计的交叉型HSF-UC-EBG结构周期单元排列成一个3.5×3.5的阵列，形成一个准同向交叉型HSF-UC-EBG结构，如图5(b)所示。如果以异向HSF-UC-EBG周期单元为基本单元来看，该结构是一个7×7的阵列。预期该结构沿x₂方向和y₂方向具有相似的带隙，且x₂方向和y₂方向的带隙均为异向HSF-UC-EBG周期结构单元沿x₁方向和y₁方向排列形成的结构的带隙之和，因而具有超宽带特性。

第五步是通过数值建模仿真验证第四步的设计：对第四步设计的准同向交叉型HSF-UC-EBG结构，同样采用如图3所示的微带线悬置法建模仿真。仿真结果表明，该结构的x₂和y₂方向具有相似的超宽带特性，带隙分别为1.40GHz-4.93GHz和1.37-4.93GHz，相对带宽高达111.0％以上，如图6(a)和(b)所示。

Claims (4)

1.一种异向HSF-UC-EBG结构周期单元，其特征在于将此单元沿两个正交方向(设为x₁方向和y₁方向)排列，形成的UC-EBG结构具有不同的带隙特性。具体而言，当沿x₁方向排列5个周期单元时，具有一个较低频段的带隙：1.30GHz-2.58GHz，相对带宽达66.0％；当沿y₁方向排列5个周期单元时，具有一个较高频段的带隙：2.57GHz-4.31GHz，相对带宽达50.6％。带隙结构的介质基底是介电常数ε_r＝10.2，厚度h＝0.6mm的聚四氟乙烯陶瓷复合板，H-型槽由覆在介质基板上的铜箔蚀刻而成，铜箔的厚度为T＝0.018mm。周期单元尺寸为P＝18mm，H-型槽的槽长和槽宽分别为L＝10.8mm，W＝1.2mm。

2.一种交叉型HSF-UC-EBG结构周期单元，该周期单元由4个如权利要求2所述的异向HSF-UC-EBG结构周期单元构成。具体而言，该周期单元两个正交方向(设为x₂和y₂方向)，分别交叉排列着两个沿x₁和y₁方向的异向HSF-UC-EBG结构周期单元。

3.设计的由如权利要求3所述的交叉型HSF-UC-EBG周期单元排列构成准同向交叉型HSF-UC-EBG结构，该结构的x₂和y₂方向具有相似的超宽带特性，带隙分别为1.40GHz-4.93GHz和1.37-4.93GHz，相对带宽高达111.0％以上。

4.提出的通过交叉排列异向UC-EBG结构的周期单元，来展宽UC-EBG结构带隙宽度的设计方法，其特征在于此方法仅通过改变周期单元的排列方式即可实现带宽的扩展，且扩展后的带宽基本为两个带隙之和，因而能够实现超宽带UC-EBG结构。

Images