HFSS中高阻抗表面型PBG結(jié)構(gòu)貼片天線的設(shè)計(jì)

  由于微帶貼片天線具有體積小、重量輕、低剖面、易加工、共形等優(yōu)點(diǎn),所以在軍事和民用方面都有著廣泛的應(yīng)用前景。眾所周知,集成電路的基底是一些高介電常數(shù)材料,而微帶貼片天線在低介電常數(shù)基底上才能獲得最佳性能。位于高介電常數(shù)基底的貼片天線由于表面波的損耗輻射效率很低,并且頻率帶寬極窄,當(dāng)應(yīng)用的頻率變高時(shí)這種情況更加突出,導(dǎo)致貼片天線的增益和效率下降,并且在陣列情況下還會(huì)有高的交叉極化電平和互耦電平。為了實(shí)現(xiàn)微帶貼片天線的集成化,同時(shí)避免昂貴的基底混合技術(shù),就必須在高介電常數(shù)基底上實(shí)現(xiàn)高效率的貼片天線。近年來出現(xiàn)的新型光子晶體貼片天線能夠較好地改善以高介電常數(shù)介質(zhì)為基底的貼片天線的性能。光子晶體貼片天線是指基于光子晶體的貼片天線。所謂光子晶體,或稱PBG材料,是指將高介電常數(shù)的介質(zhì)周期性的放置所產(chǎn)生的一種人工電磁晶體,該電磁晶體的表面波波矢圖在某一頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)頻率禁帶,簡稱禁帶。通過在貼片天線中人為的引入光子晶體結(jié)構(gòu),并利用光子晶體的禁帶效應(yīng),抑制沿基底傳播的表面波,增加天線輻射到空間的電磁波,從而改善天線的性能。本文所采用的高阻抗表面型PBG結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、帶隙性能好、可以集成等優(yōu)點(diǎn),在天線的設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。

  1 PBG天線設(shè)計(jì)

  本文設(shè)計(jì)的矩形貼片天線,是中心頻率為10 GHz的矩形微帶天線(輻射元為矩形),饋電方式選為中心側(cè)饋。采用ROGER3010材料做為基板,厚度h=1.28 mm,相對(duì)介電常數(shù)=10.2。矩形貼片的尺寸為L×W。貼片單元的尺寸由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算可以得出:

  利用ADS自帶的計(jì)算傳輸線的軟件LineCalc來計(jì)算傳輸線的寬度ω=0.162 mm。

  PBG材料的設(shè)計(jì)首先利用等效媒質(zhì)模型得到初始的參數(shù),更準(zhǔn)確的參數(shù)則通過全波數(shù)值仿真獲得。由于高阻抗表面PBG結(jié)構(gòu)的周期大小遠(yuǎn)小于工作波長,適合用集總電路元件(電容、電感)組成的等效LC并聯(lián)諧振電路來描述其電磁特性。像電路濾波器一樣阻止沿表面?zhèn)鬏數(shù)碾娏?。如前所?蘑菇型高阻抗表面相鄰貼片間的電容效應(yīng)(介質(zhì)基片既起著支撐作用,又達(dá)到增強(qiáng)電容的效果),與金屬過孔的等效電感組成集中參數(shù)的并聯(lián)諧振電路。這里有高阻面的設(shè)計(jì)公式:

  式中:εr是介質(zhì)的介電常數(shù);t是高阻面的高度;g是周期間距;ω是單元邊長;a為周期。

  最后得到的設(shè)計(jì)結(jié)果是,ω=1.73 mm,g=0.22 mm(如圖2(b)所示)。

  2 建模與仿真

  根據(jù)設(shè)計(jì)的PBG天線的結(jié)構(gòu),在HFSS中建模并仿真。模型圖如圖3所示.

  在HfSS中仿真得到的反射系數(shù)圖如圖4和圖5所示。

  可以看到回波損耗小于-10 dB的帶寬約為600 MHz,參考天線諧振頻率為9.96 GHz,PBG微帶天線諧振頻率為10.05 GHz。PBG天線的諧振頻率比參考天線略高,這是因?yàn)槎咧g的耦合造成的。二者在9.99 GHz具有相同的反射系數(shù)-21.28 dB,在這個(gè)頻率上仿真得到其方向圖如圖6和圖7所示。可以看到PBG結(jié)構(gòu)使方向性有所增強(qiáng),天線的增益大約提高0.53 dB。PBG貼片天線因?yàn)楸砻娌ū灰种茝亩鰪?qiáng)了主模的輻射幅度而使增益提高。

  3 結(jié) 語

  本文對(duì)高阻抗型PBG結(jié)構(gòu)的微帶天線進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真,求解了PBG結(jié)構(gòu)的微帶貼片天線和常規(guī)微帶貼片天線輻射方向圖。仿真結(jié)果證明,在表面波的影響比較顯著的情況下,PBG材料的引入可以有效抑制表面波的傳播,提高天線的增益,優(yōu)化天線的方向圖。證明了光子帶隙結(jié)構(gòu)確實(shí)能夠壓制表面波,提高輻射增益。得出的結(jié)論對(duì)微帶天線的計(jì)算及工程設(shè)計(jì)上有一定的意義。