基于高阻抗型PBG结构的微带天线设计与仿真.doc
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1、基于高阻抗型PBG结构的微带天线设计与仿真由于微带贴片天线具有体积小、重量轻、低剖面、易加工、共形等优点,所以在军事和民用方面都有着广泛的应用前景。众所周知,集成电路的基底是一些高介电常 数材料,而微带贴片天线在低介电常数基底上才能获得最佳性能。位于高介电常数基底的贴片天线由于表面波的损耗辐射效率很低,并且频率带宽极窄,当应用的频 率变高时这种情况更加突出,导致贴片天线的增益和效率下降,并且在阵列情况下还会有高的交叉极化电平和互耦电平。为了实现微带贴片天线的集成化,同时避免 昂贵的基底混合技术,就必须在高介电常数基底上实现高效率的贴片天线。近年来出现的新型光子晶体贴片天线能够较好地改善以高介电
2、常数介质为基底的贴片天线 的性能。光子晶体贴片天线是指基于光子晶体的贴片天线。所谓光子晶体,或称PBG材料,是指将高介电常数的介质周期性的放置所产生的一种人工电磁晶体,该 电磁晶体的表面波波矢图在某一频率范围内出现一个频率禁带,简称禁带。通过在贴片天线中人为的引入光子晶体结构,并利用光子晶体的禁带效应,抑制沿基底传 播的表面波,增加天线辐射到空间的电磁波,从而改善天线的性能。本文所采用的高阻抗表面型PBG结构具有结构紧凑、带隙性能好、可以集成等优点,在天线的 设计中得到了广泛的应用。1 PBG天线设计本文设计的矩形贴片天线,是中心频率为10 GHz的矩形微带天线(辐射元为矩形),馈电方式选为中
3、心侧馈。采用ROGER3010材料做为基板,厚度h=128 mm,相对介电常数=102。矩形贴片的尺寸为LW。贴片单元的尺寸由经验公式计算可以得出:利用ADS自带的计算传输线的软件LineCalc来计算传输线的宽度=0162 mm。PBG材料的设计首先利用等效媒质模型得到初始的参数,更准确的参数则通过全波数值仿真获得。由于高阻抗表面PBG结构的周期大小远小于工作波长,适合用 集总电路元件(电容、电感)组成的等效LC并联谐振电路来描述其电磁特性。像电路滤波器一样阻止沿表面传输的电流。如前所述,蘑菇型高阻抗表面相邻贴片间 的电容效应(介质基片既起着支撑作用,又达到增强电容的效果),与金属过孔的等效电感组成集中参数的并联谐振电路。这里有高阻面的设计公式:式中:r是介质的介电常数;t是高阻面的高度;g是周期间距;是单元边长;a为周期。 最后得到的设计结果是,=173 mm,g=022 mm(如图2(b)所示)。2 建模与仿真
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