一種面向超寬帶天線的交叉型h-型槽分形uc-ebg結構及其設計方法

2023-05-19 15:29:01 2

專利名稱：一種面向超寬帶天線的交叉型h-型槽分形uc-ebg結構及其設計方法
技術領域：
本發明提供一種面向超寬帶天線的共面緊湊型電磁帶隙(Uniplanar CompactElectromagnetic Band Gap, UC-EBG)結構及其設計方法,屬於電磁傳播與接收的技術領域。
背景技術：
I. UC-EBG結構的優點EBG結構是一種具有頻率帶隙的周期電磁結構，根據結構特性主要可以分為四類接地板缺陷型，基地打孔型，高阻抗表面型，共面緊湊型(UC-EBG)。其中UC-EBG結構相比其
它三種具有很多優勢(I)與接地板缺陷型相比，UC-EBG具有更緊湊的特性；(2)與基地打孔型相比，UC-EBG不需要在介質基板上打孔(打孔會降低結構的機械強度)，只需在接地金屬板上蝕刻出周期結構；(3)與高阻表面EBG結構相比，UC-EBG表面沒有通過金屬棒與接地板連接起來，因而加工簡單，成本低；(4)它依靠本身的結構來實現帶阻特性，在電路的集成性、重量及成本上具有不可代替的優勢。2. UC-EBG結構的應用前景當今社會正處於資訊時代，人們對通信的要求越來越高。隨著移動通信系統在容量和質量上的不斷升級，再加上空間電子技術的飛速發展，勢必將帶動用於通訊終端設備的電子元器件的同步發展，為開發新器件提供了空前的機遇。新型的電子元器件將較大地改善現有器件的性能，甚至取代它們。其中EBG結構，由於其在一定的頻帶內具有抑制表面波、能實現同相反射等特性，可以改善器件的功率效率、提高器件品質因素、改變相位特性等作用，因而在提高微波器件的性能方面脫穎而出，成為微波領域中的一個研究熱點，尤其是在提高微波電路及天線性能方面，EBG結構具有巨大的應用價值。如前所述，由於UC-EBG結構相比其他三種類型的EBG結構具有結構緊湊，形式靈活、便於通過集成工藝方便地實現等優勢，必將在移動通信、衛星通信、航空航天等眾多領域發揮它的作用。目前UC-EBG結構主要涉及濾波器、混合器、諧振器、高效放大器、諧波抑制器、高性能微波天線等等。尤其是對其在改善天線性能方面研究，一直是熱點，國內外在這方面取得了一系列成果=Roberto等人將UC-EBG結構用作貼片天線的襯底，可以在保持交叉極化不變的情況下，將天線的增益提高3dB(文獻I, Roberto Coccioli,Fei-Ran Yang， Kuang-Ping Ma and Tatsuo Itoh， Aperture-coupled patch antennaon UC-EBG substrate， IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques，Vol. 47，No. 11，pp. 2123-2130. Nov. 1999)。Dalia Nashaat 等人將 UC-EBG 結構用於陣列天線，可以在方向圖滿足要求的情況下，提高天線陣列的增益，減小天線陣列的尺寸(文獻 2, Dalia Nashaat, Hala A. Elsadek, Esmat A. AbdalIah, Magdy F. Iskander, andHadia M. EI Hennawy. Ultrawide Bandwidth 2X2 Microstrip Patch Array AntennaUsing Electromagnetic Band-Gap Structure (EBG). IEEE Transaction on Antennasand Propagtion, Vol. 59, No. 5, May 2011)。將UC-EBG結構用於天線陣列可以減小天線單元之間的互稱，提高天線的性能等(文獻3, Hossein Sarbandi Farhani, MehdiVeysi, Manouchehr Kamyab, and Alireza Tadjalli. Mutual Coupling Reduction inPatch Antenna Arrays Using a UC-EBG Supersubstrate. IEEE Antennas and WirelessPropagation Letters, Vol.9.pp. 57-59. 2010)。3.寬帶UC-EBG結構的實現方法
由於現代移動通信飛速地發展，信道容量不斷擴充，傳輸效率不斷提高，因此寬帶器件的研究有著重要意義。然而，UC-EBG結構相對帶寬較窄，一般在5%-27%之間(文獻 4, Fu Y, Yuan N, and Zhang G. Compact high-impedance surfaces incorporatedwith interdigital structure. Electronic Letters, Vol.40, No. 5, pp. 310-311. 2004 ；文獻 5, Lin B Q, Cao X Y, Yang Y M, and Wen X. Compact high-impedance surfacesintegrated with rhombic interdigital structure. Electronics Letters, Vol. 43,No. 20, pp. 1100-1101. 2007)。展寬UC-EBG結構帶隙帶寬的方法有增加等效電感法(X. Ye,，X. Cao, and F. Li, 「Uniplanar EBG structure with improved compact and widebandcharacteristics, 」Electron.Lett. , Vol. 44 No.23.pp.1362-1363. 2008.),米用多過孑L 法(T. Wang, T. Han, and T. ffu,uA Novel Power/Ground Layer Using ArtificialSubstrate EBG for Simultaneously Switching Noise Suppression，，IEEE Transactionon Microwave Theory and Techniques, Vol. 50,No. 5,pp. 1164-1171. May 2008)等。運用此兩種方法能將帶寬展寬到49% -68%左右，然而增加等效電感會使表面圖案變複雜，增加加工難度，採用多過孔法也會使加工複雜。

發明內容
本發明提出一種通過設計異向UC-EBG結構周期單元，交叉排列異向周期單元的方式來擴展UC-EBG禁帶寬度的實現方法。I.本發明的具體內容如下(I)設計了一個異向HSF-UC-EBG結構周期單元(圖I所示)周期單元的尺寸為P，一級H-型槽的槽長和槽寬分別為L和W，二級H-型槽的槽長和槽寬分別為L/2和W.(2)設計了兩個分別沿X1方向和yi方向排列5個異向HSF-UC-EBG周期單元的UC-EBG結構模型(如圖2 (a)，(b)所示)模型建立在相對介電常數~ = 10. 2，厚度h =
0.6mm的聚四氟乙烯陶瓷複合雙面覆銅板上，將銅箔的一面蝕刻成所設計的H-型槽分形結構，另一面蝕刻成一條微帶線。H-型槽的參數為P = 18mm, L = 10. 8mm, W=L 2mm。通過全波分析法建模(圖3所示)，分別仿真出兩個結構的S參數，由仿真結果(如圖(a)和(b)所示)知，按X1方向排列的UC-EBG結構的帶隙為1. 30GHz-2. 58GHz ;按Y1方向排列的UC-EBG 結構的帶隙為 '2. 57GHz-4. 3IGHz ；(3)設計了一個交叉型HSF-UC-EBG結構周期單元(圖5 (a)所示)該周期單元由4個如圖I所示的異向HSF-UC-EBG結構周期單元構成，其兩個正交方向分別交叉排列著兩個異向HSF-UC-EBG結構周期單元。(4)設計了一個超寬帶的準同向交叉型HSF-UC-EBG結構(圖5 (b)所示)該結構的X2和y2方向分別排列著3. 5個如圖5 (a)所示的交叉型HSF-UC-EBG結構周期單元。其X2方向和y2方向具有相似的超寬帶特性，帶隙分別為I. 40GHz-4. 93GHz和I. 37-4. 93GHz，相對帶寬高達111.0%以上，如圖6(a)和(b)所示。2.本發明優點如下(I)本發明提出通過設計異向UC-EBG結構周期單元，交叉排列異向周期單元來擴展UC-EBG結構帶隙寬度的新方法；(2)本發明設計的異向HSF-UC-EBG結構周期單元只需3個以上即可形成較寬的禁帶;
(3)本發明設計的異向HSF-UC-EBG結構周期單元在沿X1方向排列5個單元時，出現一個較低頻段的寬帶隙L 30GHz-2. 58GHz，相對帶寬達66. 0% ；(4)本發明設計的異向HSF-UC-EBG結構周期單元在沿Y1方向排列5個周期時，出現一個較高頻段的寬帶隙2. 57GHz-4. 31GHz，相對帶寬達50. 6% ；(5)本發明設計了一個由4個異向HSF-UC-EBG結構周期單元構成的新型交叉型HSF-UC-EBG結構周期單元；(6)本發明設計的準同向交叉型HSF-UC-EBG結構，沿X2方向和沿y2方向具有相似的帶隙特性，並且均為超寬帶，分別為I. 40GHz-4. 93GHz和I. 37-4. 93GHz，相對帶寬高達111. 0% 以上。(7)本發明設計的超寬帶H-型槽分形UC-EBG結構，圖形簡單，加工容易；(8)本發明設計的超寬帶H-型槽分形UC-EBG結構實際可用於超寬帶/多頻天線或相應工作頻段的電路中。3.本發明的原理如下UC-EBG結構形成帶隙的原理UC-EBG結構帶隙形成是基於諧振機制的，可以用LC等效電路來進行定性分析UC-EBG結構的表面阻抗Zs為
jcoLs~ X-o/LC(*)由式(*)可知，在諧振頻率崎=處，Zs趨於無窮大，因此在諧振頻率附近表面
波不能傳播，形成一個表面波帶隙。其中L和C主要由UC-EBG結構的表面圖案，因此UC-EBG結構的周期單元圖案設計對帶隙特性形成具有很大的影響。首先，在周期單元貼片開H型槽，並引入分形結構，形成異向HSF-UC-EBG結構周期單元。異向HSF-UC-EBG結構單元沿X1方向和沿Y1方向排列，形成的UC-EBG結構具有不同的帶隙特性。具體而言在X1方向出現一個較低頻段的帶隙，而在I1方向出現一個較高頻段的帶隙。其次，通過數值仿真優化，調節異向HSF-UC-EBG結構的介電常數，周期單元尺寸大小等參數，將沿X1方向的低頻帶隙和沿Y1方向的高頻帶隙調節至相鄰或者有部分重疊。此時得出的參數稱為優化參數。此時可以預知，若將沿X1方向和沿7工方向排列的周期單元交叉著排列，則形成的UC-EBG結構的帶隙將為X1方向的低頻帶隙和沿yi方向的高頻帶隙之和，又因低頻帶隙和高頻帶隙已有部分重疊，因而可以形成一個超寬的帶隙。最後，沿X1方向和沿Ii方向排列的異向HSF-UC-EBG周期單元交叉排列形成一個7 X 7陣列的準同向交叉型HSF-UC-EBG結構。由前面的原理可知，結構的X2方向和y2方向具有相似的超寬帶特性。


圖I是異向HSF-UC-EBG結構周期單元的示意圖。周期單元尺寸為P，一級H型槽的長度和寬度分別為L和W表示，二級H型槽的長度和寬度分別為L/2和W表示。圖2(a)，(b)分別為沿X1方向和沿71方向排列5個如圖I所示的異向周期單元形成的兩個HSF-UC-EBG結構模型。表面圖案的具體參數為P = 18mm, L = 10. 8mm, W =
I.2mm。 圖3為利用微帶新懸置法仿真HSF-UC-EBG帶隙的建模結構圖HSF-UC_EBG表面圖案蝕刻在以厚度h = O. 6mm，介電常數ε = 10. 2的聚四氟乙烯陶瓷複合板為介質基底的覆銅箔板上的，其中銅箔的厚度為T = O. 018mm。模型的背面微帶線亦為同樣厚度的銅箔，微帶線寬度為O. 55mm，阻抗為50 Ω。微帶線的兩端在分別連接兩個埠，兩個埠的阻抗也都設置為50 Ω。圖4 (a)和(b)為圖2 (a)和(b)所示的HSF-UC-EBG結構，按圖3所示方法仿真出來的S參數結果，其中灰色陰影部分為_20dB帶隙。由圖可知沿X1方向排列的模型的帶隙為1. 30GHz-2. 58GHz ;沿Y1方向排列的模型的帶隙為2. 57GHz_4. 13GHz。圖5 (a)由4個如圖I所述異向HSF-UC-EBG結構周期單元構成的交叉型HSF-UC-EBG結構周期單元，其兩個正交方向(&和72方向)分別交叉排列著兩個沿X1方向和Y1方向的異向HSF-UC-EBG結構周期單元。圖5 (b)為一個由交叉型HSF-UC-EBG結構周期單元形成的準同向交叉型HSF-UC-EBG結構，其具體參數與圖3所示結構的參數一致。圖6(a)和(b)分別為圖5(b)所示的準同向交叉型HSF-UC-EBG結構沿X2方向和y2方向的帶隙特性仿真圖，灰色陰影部分為-20dB帶隙。由仿真結果知，該結構兩個方向的帶隙幾乎一致，且具有超寬帶特性，起兩個方向的帶隙分別為1. 40GHz-4. 93GHz和
I.37-4. 93GHz，相對帶寬高達111. 0%以上。
具體實施例方式通過下面的具體實施方式
以進一步闡明本發明實質性特點和顯著的進步第一步是設計異向周期單元結構將H-型槽引入UC-EBG結構周期單元的設計中，為了提高單元貼片利用率，引入分形結構，形成一個異向HSF-UC-EBG結構周期單元如圖I。由於該周期單元呈180°對稱，因此該周期單元沿&方向和沿71方向排列形成的UC-EBG結構具有不同的帶隙特性。第二步是通過數值建模確定具體參數數值建模採用懸置微帶線模型(如圖3所示)，分別仿真異向HSF-UC-EBG結構周期單元沿X1方向和沿Y1方向排列時的S參數。為了達到展寬帶寬的目的，X1方向和Y1方向的帶隙應該調至相鄰或者有小部分重疊。為此，調節介質基底的介電常數％，厚度h，周期單元尺寸P，H-型槽槽長L，槽寬W，周期單元的數目N等參數。最終確定了一組優化參數ε r = 10. 2, h = O. 6mm, P = 18mm, L = 10. 8mm, W=I. 2mm。50 Ω微帶線的寬度為0. 55mm。沿X1方向和Y1方向周期單元數目均為5個.此時，沿X1方向的模型具有一個較低頻段的帶隙1. 30GHz-2. 58GHz ;沿yi方向的模型具有一個較高頻段的帶隙2. 57GHz-4. 13GHz，如圖4(a)和((b)所示。顯然，兩帶隙已經有部分重疊了。第三步是設計交叉型HSF-UC-EBG結構周期單元由前面所述的原理可知，將異向HSF-UC-EBG結構周期單元沿X1方向和Y1方向交叉排列可以將帶寬擴展成較低帶隙和較高帶隙之和。據此，設計出一個由4個異向HSF-UC-EBG結構周期單元構成的交叉型HSF-UC-EBG結構周期單元，其兩個正交方向(&和72方向)分別交叉排列著兩個沿X1方向和Y1方向的異向HSF-UC-EBG結構周期單元，如圖5(a)所示。第四步是設計超寬帶HSF-UC-EBG結構具體方法是將按第三步設計的交叉型HSF-UC-EBG結構周期單元排列成一個3. 5 X 3. 5的陣列，形成一個準同向交叉型HSF-UC-EBG結構，如圖5(b)所示。如果以異向HSF-UC-EBG周期單元為基本單元來看，該 結構是一個7X7的陣列。預期該結構沿X2方向和y2方向具有相似的帶隙，且X2方向和y2方向的帶隙均為異向HSF-UC-EBG周期結構單元沿X1方向和Y1方向排列形成的結構的帶隙之和，因而具有超寬帶特性。第五步是通過數值建模仿真驗證第四步的設計對第四步設計的準同向交叉型HSF-UC-EBG結構，同樣採用如圖3所示的微帶線懸置法建模仿真。仿真結果表明，該結構的X2和I2方向具有相似的超寬帶特性，帶隙分別為I. 40GHZ-4. 93GHz和I. 37-4. 93GHz，相對帶寬高達111.0%以上，如圖6(a)和(b)所示。
權利要求
1.一種異向HSF-UC-EBG結構周期單元，其特徵在於將此單元沿兩個正交方向(設為X1方向和Y1方向)排列，形成的UC-EBG結構具有不同的帶隙特性。具體而言，當沿X1方向排列5個周期單元時，具有一個較低頻段的帶隙1. 30GHz-2. 58GHz，相對帶寬達66. 0%;當沿Y1方向排列5個周期單元時，具有一個較高頻段的帶隙2. 57GHz-4. 31GHz，相對帶寬達50.6%。帶隙結構的介質基底是介電常數ε ^ = 10. 2,厚度h = O. 6mm的聚四氟乙烯陶瓷複合板,H-型槽由覆在介質基板上的銅箔蝕刻而成,銅箔的厚度為T = O. 018_。周期單元尺寸為P = 18mm, H-型槽的槽長和槽寬分別為L = 10. 8mm, ff=l. 2_。
2.一種交叉型HSF-UC-EBG結構周期單元，該周期單元由4個如權利要求2所述的異向HSF-UC-EBG結構周期單元構成。具體而言，該周期單元兩個正交方向(設為X2和y2方向)，分別交叉排列著兩個沿X1和Y1方向的異向HSF-UC-EBG結構周期單元。
3.設計的由如權利要求3所述的交叉型HSF-UC-EBG周期單元排列構成準同向交叉型HSF-UC-EBG結構，該結構的X2和y2方向具有相似的超寬帶特性，帶隙分別為I. 40GHz-4. 93GHz 和 I. 37-4. 93GHz，相對帶寬高達 111. 0% 以上。
4.提出的通過交叉排列異向UC-EBG結構的周期單元，來展寬UC-EBG結構帶隙寬度的設計方法，其特徵在於此方法僅通過改變周期單元的排列方式即可實現帶寬的擴展，且擴展後的帶寬基本為兩個帶隙之和，因而能夠實現超寬帶UC-EBG結構。
全文摘要
本發明提供一種面向超寬帶天線的共面緊湊型電磁帶隙(Uniplanar Compact Electromagnetic bandgap，UC-EBG)結構及其設計方法，屬於電磁傳播與接收的技術領域。本發明設計的異向H-型槽分形(H-shaped Slot Fractal，HSF)UC-EBG周期單元，沿x1方向排列5個時，帶隙為1.30GHz-2.58GHz；沿y1方向排列5個時，帶隙為2.57GHz-4.31GHz。當沿x1方向和y1方向排列的單元交叉排列時，形成的準同向交叉型HSF-UC-EBG結構沿兩個正交方向(設為x2和y2方向)具有相似的帶隙特性，帶隙分別為1.40GHz-4.93GHz和1.37GHz-4.93GHz，相對帶寬高達111.0％以上。本發明提出超寬帶HSF-UCEBG結構實際可用於相應頻段的超寬帶天線中，解決了傳統UC-EBG結構因相對帶寬窄(一般5％-27％之間)，難以應用於寬帶系統中這一難題。
文檔編號G06F17/50GK102820501SQ20121023626
公開日2012年12月12日 申請日期2012年7月3日 優先權日2012年7月3日
發明者紀越峰, 田慧平, 趙臘梅 申請人:北京郵電大學