CN105633566A - 一种基于三阶摩尔空间填充曲线的开槽宽频带uc-ebg结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于三阶摩尔空间填充曲线(Moore？space-filling？curve，MSF)的开槽共面紧凑型电磁帯隙(Uniplanar？Compact？Electromagnetic？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。本发明设计的UC-EBG结构具有宽频带、帯隙可调的特点。基于相同的结构，本发明通过改变结构尺寸及介质板材料，当5个MSF-UC-EBG结构单元周期性排列时，得到了帯隙分别为1.43-5.89GHz、1.09-4.57GHz及52.5-66.7GHz的三种UC-EBG结构。这三种EBG结构介质板材料分别为FR4、Rogers？RO3010、FR4板材。相对带宽分别为121.8％、122.9％、23.8％。本发明设计的MSF-UC-EBG可广泛应用于GSM、PCS、Bluetooth、Wi-max以及微波天线中。

Description

一种基于三阶摩尔空间填充曲线的开槽宽频带UC-EBG结构及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种基于三阶摩尔空间填充曲线(Moorespace-fillingcurve)的开槽宽频带共面紧凑型电磁帯隙(UniplanarCompactElectromagneticBandGap，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.摩尔空间填充曲线

摩尔曲线是希尔伯特曲线的变体。图1(a)和(b)分别描绘了1-4阶希尔伯特曲线及摩尔曲线。同希尔伯特曲线一样，摩尔曲线也是空间填充曲线。

假定摩尔空间曲线边长用L表示，阶数用n表示，每条线段长度用d_n表示，所有线段总长度用S_n表示，则L与dn及Sn之间的关系为：

$d_n=\frac{L}{2^n-1}---\left(1\right)$

S_n＝(2²ⁿ-1)d＝(2ⁿ+1)L(2)

2.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)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。

3.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，RobertoCoccioli,Fei-RanYang,Kuang-PingMaandTatsuoItoh,Aperture-coupledpatchantennaonUC-EBGsubstrate,IEEETransactiononMicrowaveTheoryandTechniques,Vol.47,No.11,pp.2123-2130.Nov.1999)。DaliaNashaat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，DaliaNashaat,HalaA.Elsadek,EsmatA.Abdallah,MagdyF.Iskander,andHadiaM.EIHennawy.UltrawideBandwidth2×2MicrostripPatchArrayAntennaUsingElectromagneticBand-GapStructure(EBG).IEEETransactiononAntennasandPropagtion,Vol.59,No.5,May2011)。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，HosseinSarbandiFarhani,MehdiVeysi,ManouchehrKamyab,andAlirezaTadjalli.MutualCouplingReductioninPatchAntennaArraysUsingaUC-EBGSupersubstrate.IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters,Vol.9.pp.57-59.2010)。

4.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,YuanN,andZhangG.Compacthigh-impedancesurfacesincorporatedwithinterdigitalstructure.ElectronicLetters,Vol.40,No.5,pp.310-311.2004；文献5，LinBQ,CaoXY,YangYM,andWenX.Compacthigh-impedancesurfacesintegratedwithrhombicinterdigitalstructure.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,andF.Li,“UniplanarEBGstructurewithimprovedcompactandwidebandcharacteristics,”Electron.Lett.,Vol.44No.23.pp.1362-1363.2008.)，采用多过孔法(T.Wang,T.Han,andT.Wu,“ANovelPower/GroundLayerUsingArtificialSubstrateEBGforSimultaneouslySwitchingNoiseSuppression”IEEETransactiononMicrowaveTheoryandTechniques,Vol.50,No.5,pp.1164-1171.May2008)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

本发明涉及一种基于三阶摩尔空间填充曲线(Moorespace-fillingcurve)的宽频带共面紧凑型电磁帯隙(UniplanarCompactElectromagneticBandGap，UC-EBG)结构及其设计方法。

1.本发明的具体内容如下：

(1)设计了基于三阶摩尔空间填充曲线的开槽MSF-UC-EBG结构单元，如图2所示。其中结构单元的周期尺寸为L_msf，w为槽宽，g为槽间距。

(2)设计了MSF-UC-EBG结构模型，该模型顶层由5个MSF-UC-EBG结构单元周期性排列构成，底层为一条微带传输线(如图3)。

(3)基于(2)中的结构模型，设计了三种EBG结构。为了方便，取名为FR4_EBG、Rogers_EBG及60GHz_EBG。其中FR4_EBG及60GHz_EBG介质板材料为FR4板材，相对介电常数ε_r＝4.4，损耗正切角tanδ＝0.02；Rogers_EBG介质板材料为RogersRO3010，相对介电常数ε_r＝10.2，损耗正切角tanδ＝0.0035。三种EBG结构的具体尺寸如表1所示。通过全波分析法建模，仿真了三个结构的S参数，如图4所示。由图4可知，FR4_EBG结构帯隙为1.43-5.89GHz相对带宽为121.8％；Rogers_EBG帯隙为1.09-4.57GHz，相对带宽为122.9％；60GHz_EBG帯隙为52.5-66.7GHz，相对带宽为23.8％。FR4_EBG及Rogers_EBG实物图如图5所示。

三种EBG结构	w	g	gap	h	wid_gap	len_gap	strip_wid
								FR4_EBG	1.6	1.9	1.9	1.0	2	2	10
Rogers_EBG	1.9	1.6	1.6	0.6	6.8	5.8	5.4
								60GHz_EBG	0.072	0.06	0.06	0.6	0.07	0.07	0.93

表1三种EBG结构的尺寸(单位：mm)

2.本发明优点如下：

(1)本发明设计的MSF-UC-EBG结构具有帯隙可调的特点。基于三阶摩尔空间填充曲线设计的MSF-UC-EBG结构单元，通过改变其结构尺寸及介质板材料，可得到不同的帯隙特性。获得的帯隙既有低频微波频段，又有高频毫米波频段。

(2)本发明设计的MSF-UC-EBG结构克服了传统UC-EBG结构带宽较窄的特点。本发明设计的MSF-UC-EBG结构只用5个结构单元排列即可获得极好的禁带特性。所设计的三种UC-EBG结构相对带宽分别为121.8％、122.9％、23.8％。

(3)本发明设计的MSF-UC-EBG结构用途广泛，既可应用于GSM、PCS、Bluetooth、Wi-max以及低频微波天线中，又可用于高频毫米波天线中。

3.本发明原理如下：

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：

$Z_S=\frac{j\mathrm{\ω}L}{1-{\mathrm{\ω}}^{2}LC}---\left(3\right)$

由式(3)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结构的表面图案决定，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。

本发明将三阶摩尔空间填充曲线引入UC-EBG结构设计，通过建模、数值仿真优化，得到需要的禁带帯隙；通过改变结构尺寸及介质板材料，得到不同频段的禁带帯隙。

附图说明

图1(a)为1-4阶希尔伯特空间填充曲线示意图，图1(b)为1-4阶摩尔空间填充曲线示意图。

图2为基于三阶摩尔空间填充曲线设计的MSF-UC-EBG结构单元。

图3为基于图2中的结构单元所设计的MSF-UC-EBG结构模型，该模型顶层由5个MSF-UC-EBG结构单元周期性排列构成，底层为一条微带传输线。

图4为所设计的三种MSF-UC-EBG结构的S参数图。其中，图4(a)为FR4_EBG结构S参数仿真及测试结果对比图，其禁带帯隙为1.43-5.89GHz,相对带宽121.8％；图4(b)为Rogers_EBG结构S参数仿真及测试结果对比图，禁带帯隙为1.09-4.57GHz，相对带宽为122.9％；图4(c)为60GHz_EBG结构S参数仿真结果。

图5为制作的FR4_EBG及Rogers_EBG的实物图。图5(a)为顶层，由5个开槽的MSF-UC-EBG结构单元周期性排列构成；图5(b)为底层由一条微带传输线构成。

具体实施方式

通过下面的具体实施方式进一步阐明本发明实质性特点：

(1)设计MSF-UC-EBG结构单元。根据三阶摩尔空间填充曲线设计开槽MSF-UC-EBG结构单元，假定周期尺寸为L_msf，槽宽为w，槽间距为g。

(2)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。首先采用FR4介质基底仿真MSF-UC-EBG结构的S参数。通过调节介质基底的厚度h，周期单元尺寸L_msf,槽宽w，槽间距g及周期单元的数目N等参数。最终确定了一组优化参数:ε_r＝4.4mm,w＝1.6mm,g＝1.9mm,gap＝1.9mm,h＝1.0mm,wid_gap＝2mm,len_gap＝2mm,strip＝10mm,N＝5。禁带帯隙为1.43-5.89GHz,相对带宽121.8％。

(3)在得到FR4_EBG结构的基础上，通过改变结构尺寸及介质基底，进行参数优化，得到Rogers_EBG及60GHz_EBG的具体参数值。

(4)制作FR4_EBG及Rogers_EBG结构并测试其S参数值，通过测试与仿真结果的对比，验证设计的正确性。

Claims (5)

1.提出基于摩尔空间填充曲线设计UC-EBG结构单元的方法，其特征在于根据摩尔空间填充曲线的轮廓设计开槽UC-EBG结构单元，使得槽的轮廓与摩尔空间填充曲线轮廓一致。

2.如权利要求1所述，实现了一种基于三阶摩尔空间填充曲线的MSF-UC-EBG结构单元。

3.根据权利要求2，实现了由5个MSF-UC-EBG结构单元周期性排列的结构模型，其特征在于通过改变结构单元的数量得到需要的禁带帯隙。

4.提出基于相同的结构模型，通过改变结构尺寸及介质基底得到不同帯隙的方法，其特征在于通过改变MSF-UC-EBG结构的槽宽w和槽间距g得到需要的禁带帯隙。

5.根据权利要求4，实现了三种MSF-UC-EBG结构，分别为FR4_EBG、Rogers_EBG及60GHz_EBG,表1为三种EBG结构的具体尺寸。

三种EBG结构 w g gap h wid_gap len_gap strip_wid FR4_EBG 1.6 1.9 1.9 1.0 2 2 10 Rogers_EBG 1.9 1.6 1.6 0.6 6.8 5.8 5.4 60GHz_EBG 0.072 0.06 0.06 0.6 0.07 0.07 0.93

表1