CN106252855B - 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，其UC-EBG单元结构由一个开槽的方形环和一个十字交叉折线型的结构组成。十字交叉型结构沿UC-EBG单元中心旋转角度为45度，使得十字交叉线的弯曲端的同一边能够恰好处于开槽方形环对角线位置。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-Ran Yang,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,Hala A.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,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,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,“A Novel 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，其中十字交叉折线的宽度与开槽方形环槽间距、槽宽相同,开槽方形环包围十字交叉折线，如图1所示。其中结构单元的周期尺寸为L，L1为方形环内侧宽度，w1为十字折线宽度，w2为槽宽，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：
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为槽宽，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，槽宽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 (2)

1.一种十字交叉折线形CFL-UC-EBG结构单元的设计方法，其特征在于利用UC-EBG单元中心旋转45度的折线型十字交叉线结构与开槽方形环结构结合设计，折线型十字交叉线的宽度与开槽方形环槽间距、槽宽相同，开槽方形环位于折线型十字交叉线的外部且包围十字交叉线，并且其CFL-UC-EBG单元的同向反射带隙为63-93.5GHz，相对带宽为38.85％。
2.一种基于十字交叉折线形CFL-UC-EBG结构单元的阵列结构，其由3个如权利要求1所述的CFL-UC-EBG单元结构周期性排列而成，其特征在于阵列结构所获得的禁带帯隙为50-80GHz,相对带宽为46.15％。
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