CN109449577A - 基于皮亚诺ls算法填充曲线的开槽超宽频uc-ebg结构 - Google Patents

基于皮亚诺ls算法填充曲线的开槽超宽频uc-ebg结构 Download PDF

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陈硕
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Abstract

本发明是基于皮亚诺LS算法填充曲线(Peano LS algorithm space‑filling curve,PSF)的开槽共面紧凑型电磁带隙(Uniplanar Compact Electromagnetic Band Gap,UC‑EBG)结构，属于电磁传播与接收的技术领域。本发明提出了基于皮亚诺LS算法曲线结构填充到不同区域内的UC‑EBG结构，如摘要附图，(a)表示将基于皮亚诺LS算法第三次迭代结构填充到镂空的正方形中简称SP‑UC‑EBG，(b)表示将基于皮亚诺LS算法第三次迭代结构填充到以皮亚诺曲线与正方形的组合的区域内简称PP‑UC‑EBG。本发明设计的分形UC‑EBG结构具有超宽带、带隙可调的特点。在相同结构不变的情况下，本发明通过改变结构的尺寸，可得到不同的带宽，在填充区域不变的情况下改变不同的镂空边界，也可得到不同的带宽，本发明设计的两款EBG结构可广泛应用于PCS、Bluetooth、Wi‑max、60GHz高频以及微波天线中。

Description

基于皮亚诺LS算法填充曲线的开槽超宽频UC-EBG结构
技术领域
本发明提出了基于皮亚诺LS算法填充曲线的开槽超宽频分形UC-EBG结构，其特点是它具有超宽带，尺寸灵活可变的结构模型。属于电磁波传播与接收的技术领域。
背景技术
1.分形结构概念
分形结构最初是由Mandelbrot提出的，表征是一组复杂的形状，他们在其几何结构中具有固定的自相似性和空间填充特性。他们具有以下的特征：
(1)初始图形简单：每一次迭代的曲线都是按照一定的规则，从简单图形演化而来。
(2)迭代规则较简单：通过简单的生成规则，产生不同的结构。
(3)充满空间特性：只要迭代次数足够大，曲线就可以充满整个区域。
正是由于分形理论的提出，分形几何的使用对科学和工程的很多领域都有显著的影响，其中之一就是天线。除了天线使用外，分形几何也可以用于设计电磁带隙结构。在2017年就提出一种基于分形结构的EBG(文献1，Jing Zhang,Guoping Ci,Yajie Cao,NingWang,and Huiping Tian.A Wide Band-Gap Slot Fractal UC-EBG Based on MooreSpace-Filling Geometry for Microwave Application)。
2.EBG阻带特性
EBG结构具有两个显著的特性：一是阻止特定频率内电磁波的传播；二是对特定频率内的入射波具有同相的反射波，类似于自然界中不存在的理想磁导体。本发明根据EBG结构的表面波特性，即阻止特定频率内电磁波传播的特性进行研究的。表面波在天线辐射的过程中会消耗一部分能量，影响天线辐射，从而降低了天线的增益。电磁带隙结构具有禁带特性，通过天线辐射体周围引入电磁带隙结构，可抑制表面波在天线表面的传播，从而提高天线的增益(文献2 Rong Hongying，Qian Wang，Shuo Chen,Yajie Cao,and HuipingTian.Wide stopband miniaturized“I”-typed EBG with DGS)。
3.UC-EBG的特性
据2可知，EBG具有两大特性，根据这两大特性EBG可分为四类：接地板缺陷型，基地打孔型，高阻抗表面型，共面紧凑型。其中UC-EBG结构属于紧凑型，与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。(3)与高阻表面EBG结构相比，UC-EBG表面没有通过金属棒与接地板相连，因而加工成本低。本发明就属于UC-EBG的范畴。
4.UC-EBG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。
发明内容
本发明提出了一种基于皮亚诺LS算法填充曲线(Peano LS algorithm space-filling curve,PSF)的超宽频带共面紧凑电磁带隙(Uniplanar CompactElectromagnetic Band Gap，UC-EBG)结构。
1.本发明的具体内容
(1)对于EBG的宽频带特性来说，我们期望阻带足够宽、抑制深度足够强。
(2)设计了基于皮亚诺LS算法填充曲线UC-EBG结构单元，EBG结构的填充曲线结构是分形结构迭代而来的，迭代过程如图1，而本发明采用的是第三次迭代。其中第三次迭代是由17个第一次迭代图形，叠加组合而成，图2(a)表示第一次迭代的相关变量，图2(b)表示第三次迭代曲线由17个第一次迭代曲线的叠加组合规则，从而获得填充的分形结构。
(3)将(1)中得到曲线结构填充到镂空的正方形中，其中正方形的边长Ld，得到了SP-UC-EBG结构模型，如图3(a)。将(1)得到曲线结构填充到镂空的改进型的皮亚诺曲线结构与正方形组合中，得到PP-UC-EBG结构模型，如图3(b)。
(4)其中图4(a)中标出了正方形的边长，图4(b)(c)表示改进型皮亚诺的图形生成单位与生成规则。
(5)基于(2)模型分别以SP-UC-EBG、PP-UC-EBG为底层，中间的基质部分采用的FR4_epoxy的材质，其中基质的高都为h，顶层都为一条微带传输线，微带线的宽度为Sw，相对介电常数都为εr＝4.4,损耗正切角都为tanδ＝0.02。以SP-UC-EBG组成的阵列EBG结构为S-FR-EBG，如图5。以PP-UC-EBG组成的阵列EBG结构为P-FR-EBG，如图6。S-UC-EBG与P-UC-EBG结构尺寸之间的关系与具体的尺寸如表TABLE I：
TABLE I
2.本发明的优点如下：
(1)本发明提出了将分形结构填充到镂空的区域中，组成EBG阵列，可得到超宽带带隙。克服了传统UC-EBG结构带宽较窄的特点。
(2)在不改变结构的情况下，改变某些参量很容易调整带隙的宽度。
(3)在不改变填充结构的情况下，改变镂空区域的边界，有利于实现EBG的小型化。
(4)本发明提出的基于皮亚诺LS算法曲线结构填充到不同的区域中得到的两款EBG结构可广泛应用于PCS、Bluetooth、Wi-max、60GHz高频以及微波天线中。
(5)此款EBG采用表面覆铜的方式进行制作，制作工艺比较简单。
(6)此款EBG利用分形结构的自相似性不断迭代而成，原理比较简单，易于构造。
(7)此款EBG基质采用FR4板材，材质比较廉价。
3.本发明实现原理如下：
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(1)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。
本发明将皮亚诺LS算法的三次迭代曲线填充到不同的镂空区域中并引入UC-EBG结构设计，建模，数值仿真优化，得到超宽带的禁带带隙，通过改变结构的尺寸，很容易得到不同的带隙。
附图说明
图1为基于皮亚诺LS算法的迭代结构示意图。
图2为皮亚诺LS算法的第三次迭代的生成组合规则图。
图3(a)表示的是将基于皮亚诺LS算法第三次迭代曲线填充到正方形中得到的SP-UC-EBG,图3(b)表示的是将基于皮亚诺LS算法第三次迭代曲线填充到改进型的皮亚诺曲线结构与正方形叠加组合的镂空区域内得到的PP-UC-EBG。
图4为(a)表示PP-UC-EBG结构，同时标明了组合中的正方形的边长ds，(b)表示改进型的皮亚诺曲线结构的一部分，(c)表示改进型的皮亚诺曲线结构由17个(b)中的图形的叠加规则。
图5为将基于皮亚诺LS算法三次迭代结构填充到镂空的正方形结构中，构成SP-UC-EBG结构单元。由结构单元组成的阵列。底层为由五个SP-UC-EBG单元周期排列构成，顶层为一条微带线。
图6是将基于皮亚诺LS算法三次迭代结构填充到镂空的改进型皮亚诺LS算法曲线结构中，构成PP-UC-EBG结构单元。由结构单元组成的阵列。介质基板底层为由五个PP-UC-EBG单元周期排列构成，顶层为一条微带线。
图7其中(a)是S-FR-EBG的实物图，(b)是P-FR-EBG的实物图。
图8 S-FR-EBG电磁带隙在2-20Ghz的EBG中的S11，S21，仿真，测量对比图。
图9 P-FR-EBG电磁带隙在2-20Ghz的EBG中的S11，S21，仿真，测量对比图。
图10其中(a)表示S-FR-EBG电磁带隙在20-70Ghz中的S11，S21，仿真结果图,(b)表示P-FR-EBG电磁带隙在20-70Ghz中的S11,S21,仿真结果图。
具体实施方式
通过下面的具体实施方式进步说明本发明实质性特点：
(1)设计SP-UC-EBG与PP-UC-EBG结构单元。根据皮亚诺LS算法三次迭代曲线填充到特定的镂空区域中得到的EBG结构。
(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。采用FR4介质基地仿真了S-FR-EBG与P-FR-EBG结构。通过调节d值等参数，最终确定了一组优化解，如表TABLE I。S-FR-EBG得到的禁带带隙为2-29.74GHz,31.54-70Ghz。P-FR-EBG得到的禁带带隙为2-36.72GHz，37.49-70GHz。
(3)制作S-FR-EBG与P-FR-EBG并测试其S参数值，通过测试与仿真结果对比，验证设计的正确性。

Claims (2)

1.提出了基于皮亚诺LS算法曲线结构填充到不同的外形区域内，得到两款超宽带EBG结构，其特征在于：SP-UC-EBG、PP-UC-EBG,填充的曲线结构都为皮亚诺LS算法第三次迭代，不同是镂空的外形结构，其中SP-UC-EBG是将PSF填充到镂空的正方形中，PP-UC-EBG是将基于皮亚诺LS算法三次迭代结构填充到改进型的皮亚诺LS算法与正方形组合的镂空区域内。
2.根据权利要求1中所述的内容，实现了将这两款EBG分别由5个EBG结构单元周期性排列的结构模型，用基质底板，微带线法，改变开槽的大小，SP-UC-EBG结构单元组成阵列的EBG获得的禁带带隙为2-29.74GHz，31.54-70Ghz，由PP-UC-EBG结构单元组成阵列的EBG获得的禁带带隙为2-36.72GHz，37.49-70GHz。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5021865A (en) * 1988-09-08 1991-06-04 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Lead frame for semiconductor device
CN106252855A (zh) * 2016-07-21 2016-12-21 北京邮电大学 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
CN107121625A (zh) * 2017-06-12 2017-09-01 华北电力大学（保定） 局部放电特高频检测用微型LSPeano分形天线

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5021865A (en) * 1988-09-08 1991-06-04 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Lead frame for semiconductor device
CN106252855A (zh) * 2016-07-21 2016-12-21 北京邮电大学 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
CN107121625A (zh) * 2017-06-12 2017-09-01 华北电力大学（保定） 局部放电特高频检测用微型LSPeano分形天线

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
VESNA CRNOJEVIC-BENGIN 等: "Fractal Geometries of Complementary Split-Ring Resonators", 《IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES》 *
YAN HE 等: "Sierpinski Space-Filling Curves and Their Application in High-Speed Circuits for Ultrawideband SSN Suppression", 《IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS》 *
杨二兵: "基于皮亚诺LS算法填充曲线UC__省略_构设计及其在微带天线中的应用研究", 《中国硕士学位论文全文数据库信息科技辑》 *

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