林若波，廖興展，陳旭文

(揭陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣東揭陽(yáng) 522051)

0 引言

現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)的高速發(fā)展對(duì)天線提出更高的要求，希望系統(tǒng)天線低成本、高效率、小型化。微帶天線由于具有重量輕、體積小、剖面薄、散射截面小、易于制造等優(yōu)點(diǎn)，引起眾多科研人員的極大研究興趣，并得到廣泛的應(yīng)用。為了盡可能地提高微帶天線的輻射效率，很多學(xué)者已取得了重大突破［1－6］。近年來(lái)出現(xiàn)的光子帶隙(photonic band gap，PBG)材料，也稱光子晶體(photonic crystals)，為提高微帶天線的整體性能提供了新的研究思路［7－11］。

基于2.4 GHz無(wú)線技術(shù)的短距離無(wú)線傳輸技術(shù)工作于ISM(industrial scientific medical)頻段，是全世界公開(kāi)通用使用的無(wú)線頻段，藍(lán)牙，Zigbee，Wi－Fi，無(wú)線USB等技術(shù)均工作于這頻段。隨著無(wú)繩電話、微波爐、遙控玩具等干擾源的影響，ISM頻段日益擁擠，這對(duì)天線的增益和輻射效率等性能提出更高要求。本文通過(guò)對(duì)一款2.45 GHz矩形微帶天線的分析，引入合適的光子晶體PBG結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)微帶天線性能的優(yōu)化，更好地滿足系統(tǒng)天線設(shè)計(jì)。

1 普通矩形微帶天線的分析與設(shè)計(jì)

1.1 天線理論分析

同軸線饋電矩形微帶天線示意圖如圖1所示。貼片尺寸為L(zhǎng)×W，介質(zhì)基片厚度為h(h?λ0，λ0為自由空間波長(zhǎng))，xf為饋點(diǎn)在x軸上的坐標(biāo)。微帶貼片可看為寬為W、長(zhǎng)為L(zhǎng)的一段微帶低阻傳輸線，一為微帶波長(zhǎng)。根據(jù)矩形微帶天線的設(shè)計(jì)要求，輻射貼片的尺寸可根據(jù)(1)—(2)式估算。

圖1 同軸線饋電矩形微帶天線的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure sketch map of coaxial feed rectanguarmicrostrip antenna

圖2 普通矩形微帶天線的回波損耗Fig.2 Return loss of rectangularmicrostrip antenna

(1)—(2)式中:w為微帶貼片的寬度;c為真空中的光速;f為天線的工作頻率;εr為介質(zhì)的相結(jié)介電常數(shù);ΔL為等效輻射縫隙長(zhǎng)度;εe為有效介電常數(shù)，可用(3)式表示為

(3)—(4)式中，h表示介質(zhì)層厚度。為了抑制表面波輻射的產(chǎn)生，介質(zhì)基片的最大厚度h應(yīng)滿足下式

(5)式中，fu為天線的最高工作頻率。

天線工作在TM10模式，W方向一般取在中心點(diǎn)，即yf=0，yf為饋點(diǎn)在y軸上的坐標(biāo);L方向上電場(chǎng)有λg/2的改變，λg為波導(dǎo)波長(zhǎng)，輸入阻抗等于50 Ω時(shí)的饋點(diǎn)位置可由(6)式計(jì)算。

1.2 普通矩形微帶天線設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)［12］中提出一種工作于ISM頻段的矩形微帶天線的設(shè)計(jì)，要求中心頻率為2.45 GHz，采用同軸線饋電，天線相對(duì)帶寬不小于5%，介質(zhì)板材選用Rogers R04003，相對(duì)介電常數(shù)εr=3.38。根據(jù)天線理論分析，可計(jì)算得到輻射貼片L=30.15mm，W=41.4mm，饋電點(diǎn)xf=8mm，yf=0，介質(zhì)長(zhǎng)寬厚分別為L(zhǎng)ength=120mm，Width=120mm，h=3mm，仿真結(jié)果如圖2a所示，其天線回波損耗為－11.99 dB，帶寬僅為0.06 GHz，相對(duì)帶寬僅為2.4%(駐波比VSWR≤2時(shí))，不符合設(shè)計(jì)要求。

為提高天線帶寬，取h=5 mm，xf=9.5 mm，可得頻率為2.45 GHz的微帶天線。結(jié)果顯示，該天線的天線回波損耗為 －16.51 dB，帶寬為0.13 GHz，相對(duì)帶寬為5.3%(駐波比VSWR≤2時(shí))，符合設(shè)計(jì)要求，如圖2b所示。

2 基于光子晶體PBG結(jié)構(gòu)的微帶天線優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 光子帶隙結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

光子晶體的概念最初是在光學(xué)領(lǐng)域中提出，是指具有PBG特性的人造周期性電介質(zhì)結(jié)構(gòu)。隨著對(duì)光子晶體研究的不斷深入，光子晶體已深入到微波和毫米波領(lǐng)域，并且已應(yīng)用到微波電路、天線等許多方面，利用其帶阻特性，可以實(shí)現(xiàn)寬帶濾波，提高放大器效率，改善天線的方向圖。傳統(tǒng)的方法是采用在光子晶體介質(zhì)中鉆孔形成2維光子晶體結(jié)構(gòu)，即在基底內(nèi)鉆出一些周期性的空氣孔。光子晶體的禁帶特性與孔距、孔徑以及介電常數(shù)有關(guān)，選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)，可使天線的工作頻率落在光子晶體結(jié)構(gòu)禁帶范圍內(nèi)，從而抑制天線基底中的表面波，進(jìn)而改善天線的性能。根據(jù)文獻(xiàn)［13］報(bào)道，在2維結(jié)構(gòu)中，只要3列孔就可以滿足要求，禁帶的中心頻率f0是PBG結(jié)構(gòu)周期的函數(shù)，即與d相關(guān)，具體關(guān)系為(7)式中:f0為禁帶中心頻率;d為孔之間的周期距離。

圖3 光子晶體PBG結(jié)構(gòu)天線模型Fig.3 Antennamodel using photonic crystal PBG structure

按照(3)式可計(jì)算出εe=2.95，取光子禁帶中心頻率f0=2.45 GHz，根據(jù)(7)式可計(jì)算出d=35 mm。因此，從饋點(diǎn)處開(kāi)始中，在光子晶體基底介質(zhì)上鉆出3×3空氣孔的PBG結(jié)構(gòu)，并不斷優(yōu)化饋點(diǎn)位置，以保證天線工作頻率落在光子禁帶范圍，如圖3所示。

表1列出了不同參數(shù)下，微帶天線諧振頻率、天線回波損耗和帶寬情況。優(yōu)化結(jié)果表明:當(dāng)孔距d=35mm，孔徑D=8 mm，饋點(diǎn) xf=9 mm，厚度h=5mm時(shí)，天線傳輸性能達(dá)到最佳，其回波損耗可達(dá)－47.75 dB，比無(wú)PBG結(jié)構(gòu)降低了31.24 dB，性能提高近2倍，帶寬為0.13 GHz，相對(duì)帶寬為5.3%，保持不變，在基模處，E面增益高達(dá)18.56 dB。

表1 不同參數(shù)下天線性能比較Tab.1 Comparison of the antenna performance based on different parameters

在HFSS12.0中進(jìn)行仿真，通過(guò)不斷優(yōu)化介質(zhì)厚度、饋點(diǎn)位置、孔徑大小，可使天線達(dá)到最佳傳輸效果。由于光子晶體存在禁帶，抑制了介質(zhì)表面波的反射，有效地提高天線增益。圖4顯示了不同饋點(diǎn)位置時(shí)回波損耗的掃描結(jié)果，圖5顯示了不同孔徑時(shí)回波損耗的掃描結(jié)果。

從三維增益方向圖中可以看出該微帶貼片天線最大輻射方向是微帶貼片的法向方向，即Z軸正向，最大增益約25.3 dB，如圖6所示，其中，Phi，Theta分別為球坐標(biāo)系中角坐標(biāo)φ方向和方向電場(chǎng)的最大值。

2.2 討論

1 )光子晶體禁帶中心頻率與孔距、孔徑、介質(zhì)有密切關(guān)系。光子禁帶的存在，可較好地抑制沿基底底板介質(zhì)傳播的表面波，增加了天線耦合到空間的電磁波輻射功率，從而提高了貼片天線增益和信噪比，較好地改善了天線的性能。

圖6 孔間距d=35 mm，孔徑D=8 mm，饋點(diǎn)xf=9 mm，厚度h=5 mm時(shí)天線仿真結(jié)果Fig.6 Simulated results of antenna when distance between two air gaps is equal to 35 mm，the diameter of air gap is equal to 7 mm，the distance between feed position and origin is equal to 9 mm and the thickness is equal to 5 mm

2 )天線回波損耗隨PBG結(jié)構(gòu)空氣孔半徑的增大而降低，同時(shí)空氣孔半徑越大對(duì)應(yīng)的頻移也會(huì)越大，原因是介質(zhì)基片的等效介電常數(shù)εe隨著PBG結(jié)構(gòu)的增大而減小。而隨著孔徑的不斷增大，光子禁帶諧振頻率也逐漸右移，基模的回波損耗開(kāi)始加大，同時(shí)高階模的回波損耗出現(xiàn)明顯的下降。這些數(shù)據(jù)都表明PBG結(jié)構(gòu)能夠有效地改善天線的工作頻率，并能有效抑制其高階模式［14］。

3 )對(duì)于同軸線饋電的微帶貼片天線，由于εr的變化也會(huì)導(dǎo)致xf的變化，從而影響?zhàn)侟c(diǎn)的位置。通過(guò)不斷優(yōu)化饋點(diǎn)位置，可獲最佳傳輸性能。

4 )由于光子晶體PBG結(jié)構(gòu)的引入，使有效介電常數(shù)εe相對(duì)降低，從而使諧振點(diǎn)頻率上升，孔徑越大，諧振點(diǎn)頻率右移越明顯，這時(shí)可通過(guò)優(yōu)化微帶貼片長(zhǎng)度L，從而保證諧振頻率不變。

5 )本微帶天線的最大缺點(diǎn)在于帶寬小，其頻帶寬度擴(kuò)展可通過(guò)增大微帶介質(zhì)層厚度、降低微帶介質(zhì)的介電常數(shù)、采用有耗介質(zhì)、附加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)等方法，從而提高ISM頻段天線的實(shí)用性。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)一款2.45 GHz普通矩形微帶天線的優(yōu)化，引入光子晶體PBG結(jié)構(gòu)，基于Ansoft公司HFSS12.0軟件的仿真，極大地抑制天線表面波的反射，降低了天線的回波損耗，提高了光子晶體微帶天線的實(shí)用性，對(duì)研究天線結(jié)構(gòu)具有一定的參考價(jià)值。

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(編輯:王敏琦)