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天线微带!基于光子晶体结构的微带贴片天线设计

导读:本论文是一篇免费优秀的关于天线微带论文范文资料,可用于相关论文写作参考。

微波微带射频天线PCB板 高频微波电路板 视频 : 微带阵列天线 1、★基于传输线模法的2GHz矩形微带天线设计2、★基于光子晶体结构的微带贴片天线设计3、★一种微带线馈电的宽带圆极化微带天线的设计4、★基于皮亚诺分形结构的微带阵列天线设计

黄伟 许丽萍(中北大学理学院,河南 信阳 464000)

摘 要:天线在很多领域都有广泛应用.光子晶体是一种具有频率带隙的周期性介电材料,也是一种新型人工材料,在微波频段发展迅速.文章结合光子晶体结构的技术特点和发展趋势,探讨在微带贴片天线中引入光子晶体结构的具体应用,该设计使天线表面波的辐射在光子晶体的特性作用下被减小,使杂波得到抑制,增强天线在最大辐射方向上的增益值,从而提升天线的接收信号的能力,具有比较好的理论价值和实践意义.

微带贴片天线:微带天线电路板打样 射频天线加工

关键词:光子晶体;微带贴片天线;杂波抑制;光子带隙

中图分类号:TN822 文献标识码:A 文章编号:1009-2374(2011)31-0064-03

一、概述

微带天线广泛应用于雷达、通信等领域,但微带天线的不足之处在于,其结构可以支持表面波,而表面波使能量难以辐射出去,被束缚在介质层附近,从而使天线的效率降低;此外,电磁波在介质截断的地方容易出现辐射和绕射现象,使天线的方向图受到不良影响,导致天线旁瓣起伏加大和后瓣增大,容易造成天线受到电子欺骗和干扰.

随着技术的发展,将微波器件与光子带隙材料相结合的应用产品渐渐增多和成熟,PBG(光子带隙)结构是周期性的带阻特性结构,在某些频段能够显著抑制电磁波的传播,PBG的应用优势可以体现在两方面:一是压制高次谐波;二是提高方向图增益,抑制表面波.本文结合光子晶体结构的技术特点和发展趋势,探讨在微带贴片天线中引入光子晶体结构的具体应用,使天线表面波的辐射在光子晶体的特性作用下被减小,使杂波得到抑制,增强天线在最大辐射方向上的增益值,最终整体提升天线的接收信号的能力.

二、光子晶体的原理概述

光子晶体是一种电磁介质,其折射率具有周期性变化的特点.最初,光子晶体主要的应用是在光学范畴,结合电磁场电磁波理论,如果介质中的介电常数具有周期性分布的规律,则其电磁场服从Maxwell方程.通过求解周期场中Maxwell方程,可知该方程在某些频率区域内无解,只有在特定的某些频率下,该方程才存在有效解.由此可知,某些频率的电磁波在周期性的介电结构中是无法传播的.我们以“光子带隙”命名这些被禁止的某些频率区间,把存在光子带隙的周期性介质叫做光子晶体.对于光子晶体而言,其最重要的特征也在于此.

微带天线与其他类似的微波天线相比具有诸多优点,包括重量轻、体积小、适合与电路集成、剖面低等,但同时微带天线本身性能的发挥也受限于其固有的缺点.举例来讲,微带天线工作频带只有1%~5%,相对较窄,微带天线还会激励起表面波,高次模,同时也易于发生有源天线的伪辐射.所以,利用光子晶体所特有的频率带隙特性,弥补微带天线的不足之处,能够显著天线微带天线性能.基于光子晶体的微带天线主要有以下几种类型:

(一)基于介质型光子晶体的微带天线

这种微带天线结构是本研究所关注的天线结构.这种结构通过在处于天线支撑基片位置的介质层中挖出空气洞,把天线在中间包围起来.因为基片结构往往比较薄,天线的背面必须有金属质地的地板以起到支撑作用,因此介质型结构微带天线在加工方面难度比较大;此外,因为光子晶体结构其工作波长是周期尺寸的两倍,只加了少数几个周期在天线周围,天线的整体尺寸比较大.

(二)基于UC- 光子带隙的微带天线

属于金属―电介质型的光子晶体.这样的结构相对而言比较紧凑,天线在同样处于光子晶体结构中间被包围起来.这种类型的光子晶体,结构其工作波长是周期尺寸的10倍以上,因此整体尺寸来讲,这种天线的结构显得更加紧凑,可以采用同轴对天线馈电.基于UC-光子带隙的微带天线的不足之处在于其比较复杂的结构,为设计带来一些困难.

(三)基于高阻表面光子晶体的微带天线

这种光子晶体结构的基本特性是带隙性能好、结构紧凑,便于集成,因此广泛地应用于天线的设计中.同时这种天线在设计上比较简单,将这种光子晶体结构用于设计微带天线,将光子晶体结构布置于微带天线四周的介质基板上,微带天线的工作频率与光子晶体的表面波带隙重合.

三、基于光子晶体结构的微带贴片天线设计

本文所阐述的光子晶体结构的微带贴片天线,是首先结合圆极化 GPS 贴片天线,并以微波介质复合材料作为基板,把光子晶体结构引入到此款GPS天线,通过实证研究与测试,来观察天线接收信号的能力以及天线的参数指标的提高程度.

(一)在微带贴片天线接地面引入光子晶体结构

微带贴片天线接地面引入光子晶体结构的方法采取了地面腐蚀型结构,这种结构腐蚀出周期行的孔洞排列在天线的接地面上,这些孔洞体现出光子晶体频率所特有的带隙特性,从而得到比较好的阻带性能.这种结构在业界也被称为“缺陷地”结构.这种实现方法对结构破坏很小,而且制作相对简单,加工难度也不大.决定这种结构的特性的主要因素包括:(1)周期单元的数目多少;(2)周期单元的具体排列方式以及周期单元的结构特点,此外还包括介电常数,介质的厚度等因素.大部分基于光子晶体结构的“缺陷地”周期单元都采用圆形、方形等相对简单的几何形状,为了获得多频段的频率带隙,也可以引入分形结构的单元来构成其几何形状.

通过在接地面上挖圆孔,接地面上挖周期性正方形孔洞均可构建在微带贴片天线接地面引入光子晶体结构的天线,本文提出一种新的“缺陷地”结构,主要模式为接地面上挖周期性的双振子形状孔洞,仿真模型结构如图1所示:

图1中,所构建的接地面面积是100×100mm,将双振子形状的孔洞挖出来,使其分布于天线接地面,从而实现光子晶体结构的使用.本文的设计方式和参数为:对于主振子,其宽度是2mm,条带长度是8mm,对于附着振子,其宽度是2mm,条带长度是6mm.以13mm长度作为其阵列间距,周期的个数是7个.其中,坐标中心距第一层周期结构中心的距离是27mm.在天线上接地面处馈电点与双振子位置发生重合之处不挖双振子.

(二)在微带贴片天线介质中引入光子晶体结构

微带贴片天线介质中引入光子晶体结构的方法,是通过将空气孔洞布置在介质材料上,从而改善天线的性能,实现光子晶体结构的使用.从实现的难易来讲,这种模式的加工难度较低.这种结构的天线在很大程度上削弱了旁瓣和背瓣,带宽也有比较显著的增加,天线的向前辐射的增益与传统天线相比较,平均提高了10DBI左右.本文所设计的天线采用了介质型光子晶体结构,通过在在基板材料中加载光子晶体结构来实现.仿真模型结构如图2所示:

具体实现方法是:将周期性排列的孔洞打入微带基板的介质中,从而形成介质型微光子晶体.本设计中,所选的天线基板介电常数为10.3,天线损耗角正切值在1×10-3以下,选用厚度为2.5mm的复合板介质.金属贴片的面积为29.43mm2,把半径为2.5mm的空气孔洞分布于在介质材料中,并使之在贴片周围有规则的排列,在贴片的四周挖周期性的孔洞,略过贴片正下方,所挖孔洞共有三层,其周期值设定为10.5mm,坐标圆心到第一层空洞距的距离为25mm.

四、实收信号测试

(一)在微带贴片天线接地面引入光子晶体结构测试图3所示为在微带贴片天线接地面引入光子晶体结构测得到的方向图:

由图3可知,天线辐射方向图在上半平面没有旁瓣辐射,比较圆滑均匀,方向图的E面和方向图H面也吻合得比较好.天线零角度的最大增益在接地面挖双振子形孔洞后,值为5.26DBI.

同时应该看到的是:在微带贴片天线接地面引入光子晶体结构中,由于接地结构被部分的破坏,导致天线的背向辐射变大,这是需要尽力避免的.

天线的轴比数据见表1:

(二)在微带贴片天线介质中引入光子晶体结构测试

图4为在微带贴片天线介质中引入光子晶体结构测得到的方向图:

由图可知,在上半平面,天线的辐射方向图没有旁瓣辐射,很圆滑均匀.方向图的 E 面和方向图H面也吻合得比较好,天线的后向辐射也不太显著,天线零角度的最大增益在微带贴片天线介质中引入光子晶体结构后,值为5.25DBI.

天线的轴比数据见表2:

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(三)微波暗室测试

将本文所设计的接地面挖正方形天线与介质型空气柱天线在微波暗室中测试,测试信号的产生来自固定功率信号模拟设备,在微波暗室中以标准的圆极化天线发射信号,测定待测天线的信号接收效果,见表3:

由上表的数据可知,在微波暗室中,普通天线信噪比为38dB,接地面挖正方形天线与介质型空气柱天线信噪比明显增强,增加了约3~4dB,效果显著.

五、结语

天线在很多领域都有广泛应用.光子晶体是一种具有频率带隙的周期介电材料,也是一种新型人工材料,在微波频段发展迅速.本文基于目前的光子晶体科研基础,设计了基于光子晶体结构的微带贴片天线,经过实验测试,证实能够克服传统天线的一些不足,具有比较好的理论价值和实践意义.

参考文献

[1]钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2001.

[2]闫敦豹,袁乃昌.PBG 结构缺陷的谐振特性研究[J].微波学报,2010,19(3).

[3]车仁信,程鑫,纪颖.基于FDTD 的宽带微带天线的研究[J] .现代雷达,2006,28(5).

[4]姚广锋.采用PML 的FDTD 方法对矩形微带天线的研究[J] .现代雷达,2006,28(11).

[5]吴亚军,胡爱群,宋宇波.无线局域网协议分析系统的设计与实现[J].计算机工程,2008,34(22).

(责任编辑:赵秀娟)

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