CN107134637A - 一种双频ebg结构以及基于该双频ebg结构的微带天线 - Google Patents

一种双频ebg结构以及基于该双频ebg结构的微带天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双频EBG结构，包括金属接地板、介质基板、周期性排列的多个EBG 金属贴片和导电过孔构成，EBG 金属贴片和金属接地板分别位于介质基板的上下表面，导电过孔设置在EBG 金属贴片中心用于连接EBG金属贴片和金属接地板，EBG 金属贴片的四周边缘蚀刻有四个关于EBG 金属贴片中心对称分布的矩形细槽和四个四分之一圆环形槽。一种基于双频EBG结构的微带天线，包括微带贴片天线和加载在其周围的上述结构的双频EBG结构，微带贴片天线位于介质基板的上表面并且其采用的天线辐射贴片上蚀刻两个对称的矩形开槽和C形弯折枝节槽。通过在微带天线的四周加载EBG结构，抑制天线的表面波，提高天线的工作带宽，增加天线的增益同时降低天线的后向辐射。

Description

一种双频EBG结构以及基于该双频EBG结构的微带天线
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体是一种双频EBG结构以及基于该双频EBG结构的微带天线。
背景技术
无线通信技术（Wireless Communication Technology, WCT），是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。在移动中实现的无线通信又称为移动通信，人们把二者合称为无线移动通信。无线通信包括微波通信和卫星通信。微波是一种无线电波，它传送的距离一般只有几十千米，但是微波的频带很宽，通信容量很大，微波通信每隔几十千米要建立一个微波中继站；卫星通信是利用通信卫星作为中继站在地面上两个或者多个地球站之间或者移动体之间建立微波通信联系。
众所周知，一切无线电设备都是靠无线电波来进行工作的，而电磁波的发射和接收都要通过天线来实现。天线作为无线通信系统的门户，其辐射性能的好坏将直接影响到系统的通信质量。天线在现代无线通信中的作用无可替代，对天线性能的要求也逐渐提高。然而，在提高天线系统辐射性能的同时，降低天线系统的剖面轮廓和节省空间距离又成为通信设备向小型化发展的“瓶颈”。如果只是一味地减小天线尺寸又会影响到天线的带宽、增益等性能，如何设计出在天线尺寸减小的同时又能兼顾良好辐射性能指标的小型化天线系统是一项亟待解决的问题。如果采用传统的方法，通过在天线的底部加载金属反射板来提高天线的增益，那么就会增加天线的高度，无形中增加了天线的剖面。随着无线通信的发展，移动设备要求小型化，多功能。传统的方法显然不符合无线通信的发展要求。
发明内容
EBG结构具有频率禁带的特性，在EBG的禁带范围内，电磁波无法传播。正是因为EBG结构具有频率禁带，如果微带天线的表面波的频率刚好落在EBG结构的频率禁带内，那么就可以抑制微带天线的表面波的传播，提高天线的带宽和增益，降低天线的后向辐射。
因此，为解决上述问题，本发明提供一种双频EBG结构以及基于该双频EBG结构的微带天线，解决了传统微带天线带宽窄，辐射效率低，背向辐射大的问题。
本发明采用的技术方案是：一种双频EBG结构，包括金属接地板、介质基板、周期性排列的多个EBG 金属贴片和导电过孔构成，所述EBG 金属贴片和金属接地板分别位于介质基板的上表面和下表面，所述导电过孔设置在EBG 金属贴片的中心用于连接EBG金属贴片和金属接地板，所述EBG 金属贴片的四周边缘蚀刻有四个关于EBG 金属贴片中心对称分布的矩形细槽和四个四分之一圆环形槽。
所述介质基板是材质为FR4，介电常数为4.4，厚度为2mm的PCB板。
一种基于上述双频EBG结构的微带天线，包括微带贴片天线和加载在微带贴片天线周围的双频EBG结构，所述双频EBG结构由金属接地板、介质基板、周期性排列的多个EBG金属贴片和导电过孔构成，所述EBG 金属贴片和金属接地板分别位于介质基板的上表面和下表面，所述导电过孔设置在EBG 金属贴片的中心用于连接EBG金属贴片和金属接地板，所述EBG 金属贴片的四周边缘蚀刻有四个关于EBG 金属贴片中心对称分布的矩形细槽和四个四分之一圆环形槽，所述微带贴片天线位于介质基板的上表面并且其采用的天线辐射贴片上蚀刻两个对称的矩形开槽和C形弯折枝节槽，在矩形开槽的边缘形成同轴馈电。
所述天线辐射贴片为长方形，所述导电过孔是圆柱形。
所述矩形开槽蚀刻在天线辐射贴片的上下侧，两个C形弯折枝节槽蚀刻在天线辐射贴片的左右侧并镜像对称。
所述微带贴片天线被3层双频EBG结构包围。
本发明的有益效果是：通过在微带天线的四周加载EBG结构，调节EBG结构和天线的间距来破坏EBG结构的周期性，使得天线的辐射特性得到很好地改善，可以抑制天线的表面波，提高天线的工作带宽，增加天线的增益同时降低天线的后向辐射，提高天线的前后辐射比。
附图说明
图1是本发明的俯视图；
图2是EBG 金属贴片的结构示意图；
图3是本发明的主视图；
图4本发明EBG的双频带隙曲线图；
图5是本发明微带天线加载/未加载EBG结构时的S11参数对比图；
图6是本发明微带天线加载/未加载EBG结构时的E面方向对比图（谐振频率为4.9GHz）；
图7是本发明微带天线加载/未加载EBG结构时的H面方向对比图（谐振频率为4.9GHz）；
图8是本发明微带天线加载/未加载EBG结构时的E面方向对比图（谐振频率为5.3GHz）；
图9是本发明微带天线加载/未加载EBG结构时的H面方向对比图（谐振频率为5.3GHz）；
其中，1、介质基板，2、EBG 金属贴片，3、矩形细槽，4、四分之一圆环形槽，5、导电过孔，6、矩形开槽，7、C形弯折枝节槽，8、天线辐射贴片，9、同轴馈电点，10、金属接地板。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
如图1和图3所示，一种基于双频EBG结构的微带天线，包括微带贴片天线和加载在微带贴片天线周围的3层双频EBG结构（属于高阻抗表面，最基本的结构是Mushroom型，上面是一个金属贴片，下面是金属接地板，在介质基板上打上金属型过孔，金属型的过孔连接着上面的金属贴片和下面的接地板。）
本发明提供的双频EBG结构是在Mushroom型结构的金属贴片上开槽，即在金属贴片的四周边缘开四个对称的矩形槽和四个四分之一圆环形槽。其具体结构是由金属接地板10、介质基板1、周期性排列的多个EBG 金属贴片2和导电过孔5构成，EBG 金属贴片2和金属接地板10分别位于介质基板1的上表面和下表面，导电过孔5设置在EBG 金属贴片2的中心用于连接EBG金属贴片2和金属接地板10，引入了等效电感，可以缩小EBG结构的尺寸。 EBG 金属贴片2的四周边缘蚀刻有四个关于EBG 金属贴片中心对称分布的矩形细槽3和四个四分之一圆环形槽4，不仅延长了电流的路径，而且引入了附加的耦合电容，同样便于缩小EBG金属贴片2的尺寸，从而达到降低EBG结构的带隙频率，改变场分布使得EBG可以产生双带隙频率。通过调节开槽的位置和大小使得EBG结构的双带隙频率覆盖天线的两个工作频率，这样能够有效地抑制表面波，实现EBG结构改善天线的辐射特性的效果。本实施例中介质基板1是材质为FR4，介电常数为4.4，厚度为2mm的PCB板；导电过孔5是圆柱形。
微带贴片天线位于介质基板1的的中心位置并且其采用的天线辐射贴片8（选用长方形贴片）的的上下侧蚀刻两个对称的矩形开槽6，左右侧蚀刻两个C形弯折枝节槽7并镜像对称，以此增加电流的有效路径，等效为增加了天线的有效电长度，降低了天线的谐振频率；同时也会改变天线的场分布，产生新的谐振模式，使天线可以双频甚至多频工作（本实施例产生双谐振频率），缩小天线辐射贴片8的尺寸。该微带天线采用的是同轴馈电，在矩形开槽6的边缘形成同轴馈电点9。
微带贴片天线被3层双频EBG结构包围。
将设计好的双频EBG结构加载在微带贴片天线的四周时，要和天线保持一定的距离（一般要保持一个EBG结构周期的距离），距离太近会产生比较强的耦合，干扰天线的方向图；距离太远，又会起不到理想的效果而且还会增加天线的尺寸。通过调节EBG结构与天线四周的距离来破坏EBG结构的周期性，引入缺陷，就会使得在表面波带隙内存在一个相对较窄的频率范围允许电磁波的传播，工作在这种模式下的天线其能量辐射相对较好，因而方向性更好。一方面，从能量分布角度进行分析，因为EBG结构的周期性被破坏，使得电磁波的能量不会在缺陷附近相对集中，因为谐振效应会出现，天线的方向性得到了提高。另一方面，由于折射定律可知，当电磁波工作于结构本征频率周围的时候，无论电磁波在EBG结构表面的入射角是多少，其反射角接近于零，即反射波几乎与法线方向平行，这就使得不同方向入射的电磁波最终都趋近与法线方向反射到自由空间，因而天线的辐射能量更加集中，方向性也因此得到了较好的改善。
如图4所示，EBG的双频带隙范围是4.73-5.02GHz和5.18-5.57GHz，微带天线的带宽范围是4.85-4.97 GHz和5.21-5.52GHz，EBG的双频带隙范围可以覆盖微带天线的双频带宽。即微带天线的带宽刚好落在EBG的带隙范围内。
如图5所示，本发明基于双频EBG结构的微带天线S11小于-10dB带宽范围为4.74GHz-5.04GHz和5.36-5.74GHz；未加载EBG结构的天线S11小于-10dB的带宽范围是4.85-4.97GHz和5.21-5.52GHz；相比于未加载EBG结构的天线，本发明的微带天线的带宽分别提高了50%和42%。加载EBG结构后天线在高频段产生频率的偏移这是由于EBG结构和天线的耦合引起的。
如图6所示，为本发明微带天线加载/未加载EBG结构时的E面方向对比图（谐振频率为4.9GHz）；加载EBG结构的微带天线相比于未加载EBG结构的微带天线增益提高了2.9dB,后向辐射减小了25dB。
如图7所示，本发明微带天线加载/未加载EBG结构时的H面方向对比图（谐振频率为4.9GHz）；加载EBG结构的微带天线相比于未加载EBG结构的微带天线增益提高了0.9dB，后向辐射减小了10dB。
如图8所示，本发明微带天线加载/未加载EBG结构时的E面方向对比图（谐振频率为5.3GHz）；加载EBG结构的微带天线相比于未加载EBG结构的微带天线增益提高了1.5dB，后向辐射减小了10dB。
如图9所示，本发明微带天线加载/未加载EBG结构时的H面方向对比图（谐振频率为5.3GHz）；加载EBG结构的微带天线相比于未加载EBG结构的微带天线增益提高了1.5dB，后向辐射减小了10dB。
本实施例适用于C波段的4.7-5.6GHz频段，对于卫星通信中的视频、音频等多媒体的高速传输具有广泛的应用前景。
本发明加载了双频EBG结构的微带天线与传统的微带贴片天线相比，利用槽线技术大大缩小了天线的尺寸，同时改变天线的自然场分布，引入了新的谐振频率。通过加载EBG结构大大提高了天线的增益同时降低了天线的后向辐射。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种双频EBG结构，其特征在于，包括金属接地板、介质基板、周期性排列的多个EBG金属贴片和导电过孔构成，所述EBG 金属贴片和金属接地板分别位于介质基板的上表面和下表面，所述导电过孔设置在EBG 金属贴片的中心用于连接EBG金属贴片和金属接地板，所述EBG 金属贴片的四周边缘蚀刻有四个关于EBG 金属贴片中心对称分布的矩形细槽和四个四分之一圆环形槽。
2.根据权利要求1所述的一种双频EBG结构，其特征在于，所述介质基板是材质为FR4，介电常数为4.4，厚度为2mm的PCB板。
3.一种基于双频EBG结构的微带天线，其特征在于，包括微带贴片天线和加载在微带贴片天线周围的双频EBG结构，所述双频EBG结构由金属接地板、介质基板、周期性排列的多个EBG 金属贴片和导电过孔构成，所述EBG 金属贴片和金属接地板分别位于介质基板的上表面和下表面，所述导电过孔设置在EBG 金属贴片的中心用于连接EBG金属贴片和金属接地板，所述EBG 金属贴片的四周边缘蚀刻有四个关于EBG 金属贴片中心对称分布的矩形细槽和四个四分之一圆环形槽，所述微带贴片天线位于介质基板的上表面并且其采用的天线辐射贴片上蚀刻两个对称的矩形开槽和C形弯折枝节槽，在矩形开槽的边缘形成同轴馈电。
4.根据权利要求3所述的一种基于双频EBG结构的微带天线，其特征在于，所述天线辐射贴片为长方形，所述导电过孔是圆柱形。
5.根据权利要求3所述的一种基于双频EBG结构的微带天线，其特征在于，所述矩形开槽蚀刻在天线辐射贴片的上下侧，两个C形弯折枝节槽蚀刻在天线辐射贴片的左右侧并镜像对称。
6.根据权利要求3所述的一种基于双频EBG结构的微带天线，其特征在于，所述微带贴片天线被3层双频EBG结构包围。
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