CN106252855A - 一种十字交叉折线型的开槽宽频带uc‑ebg结构及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种十字交叉折线型(Cross Fold Line)的开槽宽频带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。CFL‑UC‑EBG结构同向反射帯隙为63‑93.5GHz相对带宽为38.85％；基于相同的结构，本发明通过改变结构单元数目，当3个CFL‑UC‑EBG结构单元周期性排列时，得到了禁带帯隙为50‑80GHz相对带宽为46.15％的UC‑EBG结构。本发明设计的CFL‑UC‑EBG可广泛应用于60GHz高频微波天线中。

Description

一种十字交叉折线型的开槽宽频带UC-EBG结构及其设计方法
技术领域
本发明涉及一种十字交叉折线型(Cross Fold Line)的开槽宽频带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。
背景技术
1.十字交叉折线
十字交叉折线是十字型相交线的变体。图1中给出十字交叉折线型的开槽宽频带共面紧凑型电磁帯隙结构，EBG结构由一个开槽的方向环和一个十字交叉折线型的结构组成，十字交叉型结构旋转角度为45度。十字交叉折线型结构用于增加EBG结构的电感，从而增加EBG的禁带带宽。
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，Roberto Coccioli,Fei-RanYang,Kuang-Ping Ma and Tatsuo Itoh,Aperture-coupled patch antenna on UC-EBGsubstrate,IEEE Transaction on Microwave 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,HalaA.Elsadek,Esmat A.Abdallah,Magdy F.Iskander,and Hadia M.EIHennawy.Ultrawide Bandwidth 2×2Microstrip Patch Array Antenna UsingElectromagnetic Band-Gap Structure(EBG).IEEE Transaction on Antennas andPropagtion,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，Hossein Sarbandi Farhani,Mehdi Veysi,ManouchehrKamyab,and Alireza Tadjalli.Mutual Coupling Reduction in Patch Antenna ArraysUsing a UC-EBG Supersubstrate.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,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，Fu Y,Yuan N,and Zhang G.Compact high-impedance surfaces incorporated withinterdigital structure.Electronic Letters,Vol.40,No.5,pp.310-311.2004；文献5，Lin B Q,Cao X Y,Yang Y M,and Wen X.Compact high-impedance surfaces integratedwith rhombic interdigital structure.Electronics Letters,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 wideband characteristics,”Electron.Lett.,Vol.44No.23.pp.1362-1363.2008.)，采用多过孔法(T.Wang,T.Han,andT.Wu,“ANovel Power/Ground Layer Using Artificial Substrate EBG forSimultaneously Switching Noise Suppression”IEEE Transaction on MicrowaveTheory 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
本发明涉及一种十字交叉折线型(Cross Fold Line)的宽频带共面紧凑型电磁帯隙(Uniplanar Compact Electromagnetic Band Gap，UC-EBG)结构及其设计方法。
1.本发明的具体内容如下：
(1)设计了一种十字交叉折线型的开槽CFL-UC-EBG结构单元，如图1所示。其中结构单元的周期尺寸为L，L1为方环内侧宽度，w1为十字折线宽度，w2为槽间距，w3为槽间微带线宽。
(2)设计了CFL-UC-EBG结构模型，该模型顶层由3个CFL-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2)。
(3)基于(1)中的结构模型，设计了EBG结构。其中CFL-UC-EBG介质板材料为RogersRO6010板材，相对介电常数εr＝10.2，损耗正切角tanδ＝0.0023；CFL-UC-EBG结构的具体尺寸如表1所示。通过全波分析法建模，仿真了结构的S参数，如图3所示。由图3可知，CFL-UC-EBG结构同向反射帯隙为63-93.5GHz相对带宽为38.85％；由图4可知，CFL-UC-EBG结构禁带帯隙为50-80GHz 相对带宽为46.15％；
EBG结构 L L1 L2 h W1 W2 W3 strip_wid
CFL-UC-EBG 2.8 2 0.2828 0.3 0.1 0.1 0.1 0.3
表1 CFL-UC-EBG结构的尺寸(单位：mm)
2.本发明优点如下：
(1)本发明设计的CFL-UC-EBG结构具有帯隙可调的特点。基于十字交叉折线设计的CFL-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。
(2)本发明设计的CFL-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CFL-UC-EBG结构只用3个结构单元排列即可获得极好的禁带特性。所设计的CFL-UC-EBG结构同向反射相对带宽为38.85％，禁带帯隙相对带宽46.15％。
(3)本发明设计的CFL-UC-EBG结构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Zs为：
Z S = j ω L 1 - ω 2 L C - - - ( 3 )
由式(3)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。
本发明将十字交叉折线引入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为十字交叉折线型开槽宽频带CFL-UC-EBG结构单元
图2为基于图1中的结构单元所设计的CFL-UC-EBG结构模型，该模型顶层由3个CFL-UC-EBG结构单元周期性排列构成，底层为一条微带传输线。
图3为所设计的CFL-UC-EBG结构的S11参数图。其中，图3为EBG结构单元S参数仿真，其同向反射相位帯隙为63-93.5GHz,相对带宽38.85％；
图4为CFL-UC-EBG结构是S11和S21参数仿真，禁带帯隙为50-80GHz，相对带宽为46.15％。
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CFL-UC-EBG结构单元。设计十字交叉折线型的开槽CFL-UC-EBG结构单元，其中结构单元的周期尺寸为L，L1为方环内侧宽度，w1为十字折线宽度，w2为槽间距，w3为槽间微带线宽。
(2)通过数值建模确定具体参数：数值建模采用反射相位曲线法、悬置微带线模型。首先采用Rogers RO6010介质基底仿真CFL-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，方环内侧宽度L1，十字折线宽度w1，槽间距w2，槽间微带线宽w3，最终确定了一组优化参数：εr＝10.2mm,L＝2.8mm,L1＝2mm,L2＝0.2828mm,h＝0.3mm,w1＝0.1mm,w2＝0.1mm,w3＝0.1mm,strip_wid＝0.1mm。采用反射相位法仿真EBG结构单元的同向反射相位曲线。其同向反射相位帯隙为63-93.5GHz,相对带宽38.85％；然后仿真周期单元的数目N参数。最终确定了优化参数:N＝3。禁带帯隙为50-80GHz，相对带宽为46.15％。

Claims (3)

1.提出一种十字交叉折线形UC-EBG结构单元的设计方法，其特征在于根据折线型十字交叉线旋转45度和开槽方形环结合设计UC-EBG结构单元。
2.如权利要求1所述，实现了一种十字交叉折线形CFL-UC-EBG结构单元。其特征在于通过改变结构尺寸得到需要的同向反射相位帯隙，采用Rogers RO6010介质板材实现了具有相当宽的同向反射相位带隙的EBG结构单元。同向反射帯隙为63-93.5GHz,相对带宽为38.85％。
3.根据权利要求2，实现了由3个CFL-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。禁带帯隙为50-80GHz,相对带宽为46.15％。
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