CN106207332A - 一种面向多种基板厚度带宽可调节的中心对称螺旋型uc‑ebg结构及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种共面型紧凑电磁带隙(Uniplanar Compact Electromagnetic bandgap,UC‑EBG)结构及其设计方法,属于电磁波传播与接收的技术领域。本发明运用矩形的平移和旋转,设计出新型的中心对称回旋型结构,将提出的单元结构置于不同厚度的相对介电常数为4.4、介质损耗为0.02的FR4基板上,在频率小于60GHz的范围内能得到不同数量的带隙:当基板厚度分别为2.0mm、1.8mm和1.6mm时,得到两个同向反射带隙;当基板厚度为1.4mm和1.2mm时,得到一个带隙;且基板厚度为1.2mm时带隙的带宽高达30.75GHz(16.92~47.67GHz)。将5个同向排列的单元结构以挖槽形式的铜箔覆盖在基板底部,基板上部放置与基板厚度相匹配宽度的微带线,微带线两侧设有两端口,测其S参数,测得S11>‑10dB且S21<‑20dB的带宽随基板厚度的减小而变宽,且随基板的相对介电常数的增大向低频移动。
Description
技术领域
本发明提出了一种面向多种基板厚度的带宽可调的中心对称螺旋型共面紧凑型电磁带隙(Uniplanar Compact Electromagnetic Band Gap,UC-EBG)结构及其设计方法,属于电磁波传播与接收的技术领域。
背景技术
1.EBG结构的概念及其带隙形成机制
光子晶体是具有频率带隙的周期性介电材料,最初在光学领域提出,后来拓展到微波、毫米波段被称为微波光子晶体或者电磁带隙,简称EBG结构。EBG结构具有奇异的电磁波传播特性,可以采用金属、介质、铁磁或者铁电物质植入介质材料周期性排列构成,引起了人们极大兴趣。早期人们提出的电磁带隙结构,其带隙产生机理均属于Bragg散射机制,必须满足Bragg条件,即:a=λg/2,其中,a是周期单元尺寸,λg光子晶体带隙频率对应的导波波长。因此,Bragg型微波光子晶体的结构尺寸相对比较大,在实际使用中受到很大限制。1999年,UCLA的D.Siecenpiper设计了一种“蘑菇”型(Mushroom-like)EBG结构(文献1,JohnD Joannopolous,Robert D Meade,Joshua NWinn.Photonic Crystals-modelingofFlowing ofLight.Princeton University Press,1955),这种结构可以形成等效电感和电容,其频率带隙的产生可以有单元本身的谐振特性引起的,不受Bragg条件的限制,能够很方便地将它应用于集成电路和天线设计当中。同年,Roberto Coccioli等人提出的共面紧凑型电磁带隙结构,即UC-EBG结构(文献2,Roberto Coccioli,Fei-RanYang,Kuang-PingMa,Tatsuo Itoh.Aperture-Coupled Patch Antenna on UC-PBG Substrate.IEEETRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORYAND TECHNIQUES.47:11(2123-2130),Nov.1999),也是基于谐振机制的,与Mushroom-like EBG结构相比,这种结构不需要金属过孔与地板相连,加工工艺相对简单。本发明提出的EBG结构属于基于谐振机制的UC-EBG结构。
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: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,UC-EBG只需在接地金属板上蚀刻出周期结构;与高阻抗表明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;UC-EBG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替代的优势。本发明的结构可以用于UC-EBG。
3.EBG结构的带隙特性
本发明针结构也可用于EBG结构垂直方向的带隙特性——人工磁导体(Artificial magnetic conductor,AMC)特性,即垂直方向入射到EBG结构表面的电磁波,其反射波与入射波的相位差为零,即具有同相反射特性,一般将相位差在±90°之间视为同相反射,且将反射相位曲线上,此相位范围对应的频率范围称为带隙。将此种EBG结构用作天线的反射板,可以减小天线的剖面积,增加天线增益和辐射效率等。
4.UC-EBG结构的应用
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。将EBG结构用于微带天线中,可以抑制高次谐波(文献3,Yasushi Horii and Makoto Tsutsumi,Harmoniccontrol by photonic bandgap on microstrip patch antenna.IEEE Microwave andGuided Wave Letters.9(1),January 1999);将EBG结构用作天线的沉底,对于抑制天线的表面波、提高天线增益与辐射效率具有独特的优点(文献4,Roberto Coccioli,Fei-RanYang,Kuang-Ping Ma and Tatsuo Itoh,Aperture-coupled patch antenna on UC-EBGsubstrate,IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques.47(11):2123-2130,Nov.1999);EBG结构用做RFID的天线接地面,可以改善天线的性能(文献5,Design ofPlanar Artificial Magnetic Conductor Ground Plane Using Frequency-SelectiveSurfaces for Frequencies Below 1GHz,IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATIONLETTERS.8:951954.2009)。
发明内容
本发明提出了一种新的中心对称回旋型EBG结构,基于FR4基板的不同厚度,可以实现多种频带的带宽,且在相同厚度的基础上,频带会随着基板介电常数改变而发生改变。可用于相应频段的天线。
1.本发明的具体内容如下:
(1)设计了一种新型中心对称回旋型EBG结构,由矩形平移、旋转而成,形成中心对称的大矩形结构单元,矩形宽度保持不变,且横向和纵向间隙宽度相同。矩形宽度为2.5mm,各旋转线间距离为0.2mm(图1所示);
(2)将设计的新型结构作为UC-EBG,在以相对介电常数为4.4,介质损耗为0.02的FR4为介质基底覆盖设计的结构(图2所示),在不同厚度的基板上能得到不同的带隙宽度(图3~7所示),其中当厚度为2.0mm、1.8mm和1.6mm时在0~50GHz的范围内能得到两个带隙,厚度为1.4mm和1.2mm时只有一个带隙,但随着基板厚度的减小,带隙宽度会增加;
(3)设计了同向排列的5个新型UC-EBG周期单元的UC-EBG结构模型(图8所示):模型建立在双面覆铜的介质基板上,将铜箔的一面蚀刻成所设计的中心对称回旋型槽结构,另一面蚀刻成一条微带线(图9所示),在UC-EBG结构尺寸一定的情况下,通过改变介质基底的相对介电常数ε,使得在厚度为1.2mm基板上的结构的S参数带隙可以在一定范围内向高频或者低频移动(图10所示);
(4)在UC-EBG结构尺寸和基板的相对介电常数、介质损耗和材料一定的情况下,通过改变减小基板厚度的,使得带隙拓宽,从而实现该结构的小型化(图11~15所示)。
2.本发明优点如下:
(1)本发明属于UC-EBG结构,可以用PCB印刷电路板技术实现,中心对称回旋型结构都是矩形组成,非常简单,易于加工;
(2)本发明提出的设计结构在基板上表面,改变基板厚度,来实现带隙个数的改变;
(3)本发明设计的结构在基板下表面挖槽,改变基板相对介电常数,来实现频 带的移动;减小基板厚度,带隙拓宽达到小型化
(4)本发明设计的UC-EBG结构实际可应用与之相应工作频段的多频天线或相应工作频段的电路中。
3.本发明的工作原理如下:
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ZS为:由此时可知,在谐振频率处,ZS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。通过数值仿真优化,调节设计的中心对称回旋型EBG结构的尺寸,对结构中矩形的宽度和间隙宽度进行优化,而形成较大的带宽。增大介质基底的相对介电常数实现带隙往低频移动的原理是,UC-EBG结构的等效LC电路模型中,C的大小依赖于介质基底的相对介电常数。相对介电常数越大,C值就越大,由式(2)可知,ω0将向低频方向移动。
基于前面所有的研究,容易得到设计的宽频带的中心对称回旋型UC-EBG结构:选择螺旋线的宽度和间隙宽度进行优化,尽可能地增大螺旋线宽度和减小间隙宽度,可提高对单元贴片的利用率,在条件允许的范围内,选择相对介电常数较大的介质。
附图说明
图1为所设计的中心对称回旋型EBG的结构图,由矩形块平移旋转而成,形成中心对称的结构,矩形宽度L相同,L的值为2.5mm,回旋线之间纵向和横向间隙的宽度为s,s的值为0.2mm。
图2设计的单个周期单元的UC-EBG结构示意图,尺寸为18.5×16mm2其中介质基底为相对介电常数ε为4.4,介质损耗tanδ为0.02的FR4,介质基板厚度为h,h从1.2mm变化到2.0mm,步长为0.2mm。设计的结构平面以铜箔的形式覆在介质基板上,介质基板上方空气盒的高度为6h。
图3~7分别为介质基板厚度为1.2mm、1.4mm、1.6mm、1.8mm、2.0mm时 的反射相位图,从图中可以看出相位在±90°之间的带宽为30.75GHz(16.92~47.67GHz)、19.04GHz(13.03~32.07GHz)、14.56GHz(8.61~23.17GHz)和15.20GHz(39.39~54.59GHz)、11.05GHz(7.85~18.90GHz)和12.33GHz(31.72~44.05GHz)、8.72GHz(7.19~15.91GHz)和9.80GHz(26.67~36.47GHz)。
图8是5个同向排列的周期单元形成的UC-EBG结构模型,整体尺寸为93.7×16.2mm2。
图9位利用微带悬置法仿真的UC-EBG带隙的建模结构图:UC-EBG图案蚀刻在以厚度h的介质基底的覆铜箔板上,其中铜箔的厚度为0.018mm。模型上表面的微带线也为同样厚度的铜箔,微带线的宽度为W,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10(a)、(b)、(c)分别为图9模型中基板厚度h=1.2mm,微带线宽度W=2.45mm,介质基板的相对介电常数ε为3.0、3.5、4.0时的仿真结果,得到的S11>-10dB且S21<-20dB的带宽为4.35GHz(11.88~16.23GHz)、4.15GHz(11.20~15.35GHz)、4.05GHz(10.54~14.59GHz)。
图11为图9模型中基板厚度h=1.2mm,微带线宽度W=2.45mm,介质基板的相对介电常数ε为4.4时的仿真结果,得到的S11>-10dB且S21<-20dB的带宽为5.51GHz(9.27~14.78GHz)。
图12为图9模型中基板厚度h=1.4mm,微带线宽度W=2.93mm,介质基板的相对介电常数ε为4.4时的仿真结果,得到的S11>-10dB且S21<-20dB的带宽为5.28GHz(9.22~14.50GHz)。
图13为图9模型中基板厚度h=1.6mm,微带线宽度W=3.45mm,介质基板的相对介电常数ε为4.4时的仿真结果,得到的S11>-10dB且S21<-20dB的带宽为4.62GHz(9.62~14.24GHz)。
图14为图9模型中基板厚度h=1.8mm,微带线宽度W=4.00mm,介质基板的相对介电常数ε为4.4时的仿真结果,得到的S11>-10dB且S21<-20dB的带宽为4.30GHz(9.79~14.09GHz)。
图15为图9模型中基板厚度h=2.0mm,微带线宽度W=4.45mm,介质基板的相对介电常数ε为4.4时的仿真结果,得到的S11>-10dB且S21<-20dB的带宽为4.01GHz(9.93~13.94GHz)。
具体实施方式
本发明具体实施方式如下所述。
第一,首先运用矩形的平移和旋转,设计出如图1所示的新型中心对称回旋型结构。
第二,选择工艺较容易的UC-EBG,将设计的结构作为铜箔的形状覆在相对介电常数为ε=4.4,介质损耗tanδ=0.02,厚度为h=0.8mm的FR4介质基板上,用高度为7h的空气盒包裹整个结构,设置相应的边界条件,对0~50GHz的频率范围进行求解(如图2所示),发现反射相位可用范围太窄,不符合设计要求。
第三,改变介质基板的厚度为1.6mm,用同样的方法进行仿真,得到较宽的频带范围,对设计结构螺旋线的宽度L和螺旋线间距离s进行优化,尽可能得到宽的带隙,最终确定螺旋线宽度L为2.5mm,螺旋线间距离s为0.2mm,之后单元结构的尺寸保持不变。
第四,对介质基板的厚度进行优化,设置介质基板的厚度从1.2mm到2.0mm之间变化,步长为0.2mm,得到相应的反射相位曲线(图3~7),分析不同厚度基板下的曲线图,当基板厚度为2.0mm、1.8mm和1.6mm时,60GHz下可以得到两个带宽,分别为8.72GHz(7.19~15.91GHz)和9.80GHz(26.67~36.47GHz)、11.05GHz(7.85~18.90GHz)和12.33GHz(31.72~44.05GHz)以及14.56GHz(8.61~23.17GHz)和15.20GHz(39.39~54.59GHz),当基板厚度为14.mm和1.2mm时,只有一个带隙,分别为19.04GHz(13.03~32.07GHz)以及30.75GHz(16.92~47.67GHz)。单独看每个带隙,发现当介质基板厚度越厚,带隙宽度越宽。为了得到更精准的结果,对有两个带隙的模型进行分段求解。
第五,通过数值建模建立一个测量S参数的模型,模型采用悬置微带线的方法,5个设计结构单元同向地以槽的形式蚀刻在基板底部的铜箔上,介质基板仍为相对介电常数为ε=4.4,介质损耗tanδ=0.02,厚度为h=0.8mm的FR4,微带线两侧设置两个端口。设置微带线阻抗和两端口阻抗都为50Ω,基板的厚度为1.6mm,并在5~15GHz范围内进行求解,得到4.62GHz的带隙宽度。
第六,在同一模型中对基板厚度进行优化,设置介质基板的厚度从1.2mm到2.0mm之间变化,步长为0.2mm,得到相应的S参数曲线。基板厚度为1.2mm、1.4mm、1.6mm、1.8mm和2.0mm时,得到的S11>-10dB且S21<-20dB的带宽 分别为5.51GHz(9.27~14.78GHz)、5.28GHz(9.22~14.50GHz)、4.62GHz(9.62~14.24GHz)、4.30GHz(9.79~14.09GHz)和4.01GHz(9.93~13.94GHz),分析数据可得知,随着基板厚度的变薄,带隙宽度反而增加,在一定程度上实现了小型化。
第七,在同一模型中,保持基板厚度不变,h为1.2mm,对基板的相对介电常数进行优化,设置相对介电常数为3.0、3.5、4.0,得到相应的S参数曲线。相对介电常数为3.0、3.5、4.0和4.4时,得到的S11>-10dB且S21<-20dB的带宽分别为4.35GHz(11.88~16.23GHz)、4.15GHz(11.20~15.35GHz)、4.05GHz(10.54~14.59GHz)和5.51GHz(9.27~14.78GHz)。分析数据可知,随着相对介电常数的增大,带隙逐渐向低频方向移动。
Claims (4)
1.提出一种新型中心对称回旋型EBG结构,具体是由矩形平移、旋转而成,形成中心对称结构的大矩形结构单元,矩形宽度保持不变,且横向和纵向间隙宽度相同。通过改变矩形的宽度L与各旋转线间的距离s,而得到相应不同的带宽,可适用于相应工作频段的天线。
2.根据权利要求1中所述的结构,在结构尺寸一定的情况下(矩形宽度L=2.5mm,各旋转线间距离s=0.2mm),可以在不同厚度的FR4介质基板上实现不同带宽,在0~50GHz频率范围内,1.6mm~2.0mm厚的基板可以得到两个带隙,1.2mm~1.4mm厚的基板只有一个带隙,但带隙宽度可达到30.75GHz。
3.根据权利要求1中所述结构,设计了同向排列的5个周期单元的UC-EBG结构模型,用于基板底面挖槽,运用悬置微带线法,改变介质基板的相对介电常数:相对介电常数越大,带隙越向低频移动。
4.基于权利要求3中方法,在UC-EBG结构尺寸和基板的相对介电常数、介质损耗一定的情况下,通过减小介质基板的厚度,可以拓宽带隙宽度,实现结构的小型化。
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