基于新型EBG结构的微带天线小型化设计

Design of Miniaturized Microstrip Antenna Using Novel Electromagnetic Bandgap Structures 刘 辉* 郭金傲 史美霞 孙 烨 LIU Hui GUO Jin-ao SHI Mei-xia SUN Ye 摘　要 本文利用电磁带隙结构的慢波特性，设计了一种构造简单的小型化微带天线。把“#”型EBG结构连接

在接地板上，采用50Ω微带线馈电，减小了慢波波长，增大天线电尺寸。仿真结果表明，天线工作在1.89GHz，相比于传统金属接地板天线，该天线中心频率减小0.57GHz，更好实现小型化的目的。。

关键词 电磁带隙结构；小型化天线；慢波效应

Ａｂｓｔｒａｃｔ　 A miniaturized microstrip antenna is proposed by using the slow-wave characteristics of electromagnetic bandgap structures.The \"#\" shapes electromagnetic bandgap structures connected to the ground plane with 50Ω microstrip feed line,reducing the slow-wave wavelength,increasing the relative electrical dimension of the antenna.The simulation results show that this antenna at 1.89GHz,compared with traditional metal ground plane antenna,this antenna center frequency reduced by 0.57GHz, and the miniaturization is achieved. Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ electromagnetic bandgap structures; miniaturized antenna; slow-wave effect

doi：10.3969/j.issn.1672-9528.2017.07.014

0 引 言

1980年以来，随着光子晶体概念的提出，一种具有特殊周期结构的人工电磁材料，称之为电磁带隙结构，成为国内外研究者们的热点方向，并随着研究的进步在天线设计和微波领域得到普遍应用[1]。现如今，电子电路集成度越来越高，使得无线电子产品小型化成为发展趋势。天线作为收发电磁波的重要无线装置，利用EBG结构实现小型化受到青睐。较常用的小型化方法有使用特殊介质基片、改变电磁带隙结构样式以及加载短路探针技术等。文献[2]设计了紧凑型EBG结构短路微带天线，利用相邻金属贴片单元边沿相互交叉，产生较大电容值，从而减小谐振频率使得EBG结构的尺寸变小，但该方法得到的天线带宽较小。文献[3]设计了倒锥型单极子天线，通过增加介质基板的高度和EBG贴片的长度，等效电感值增加，但此方法不利于EBG单元微型结构的实现。

基于EBG结构的慢波效应理论，设计了一种对称“#”型EBG结构并连接在接地板上，该天线工作在1.89GHz，对比传统金属接地板天线，加入EBG结构后中心频率减小0.57GHz，更好实现了小型化的目的。

1 “#”型EBG结构慢波效应分析

EBG结构支持慢波传播，其慢波结构可减缓电磁波在波导中传播相速度，从而在不改变辐射贴片外形的情况下，使传输路径上的电感和电容值变大，同一频率点的慢波波长变图1-1为所设计的“#”小，谐振频率随之降低，实现小型化[4]。型EBG单元结构，它是由对称“#”型金属贴片、金属圆柱和介质层组成。其中“#”型EBG单元的尺寸、两个金属贴片之间的间距、金属圆柱的直径和高度、介质层介电常数都是影响天线辐射性能的主要因素[5]。在本文中主要通过改变EBG单元的尺寸以及金属圆柱的直径和高度达到小型化效果。“#”型电磁带隙结构的参数为：a=6mm，b=a/5，g=1mm，D=1mm，h1=h2=0.8mm。

图1-1 “#”型电磁带隙单元结构图

* 山东科技大学电子通信与物理学院 山东青岛 266590

2017年第7期58方案与应用2 天线结构设计

信息技术与信息化利用上述“#”型EBG结构并周期性的排列在介质层中。天线的整体结构如图2-1所示。天线工作在1.89GHz，采用50Ω微带线馈电，在辐射贴片和微带线之间加入1/4波长阻抗转换器进行阻抗匹配，波导中的填充介质为FR4，厚度为1.6mm，

εr=4.4fals。由于增加电磁带隙单元结构的高度可以获得较小的慢波波长，综合考虑带宽和天线的整体厚度，选取电

磁带隙结构的高度为0.8mm，即h1=h2=0.8mm，可以达到良好的匹配。具体天线尺寸设计如下：L1=28mm，P1=37.25mm，L2=77.76mm，P2=74.5mm，L3=17.45mm，P3=1mm，L4=15mm，P4=2.98mm。

（b）天线反面图

图2-1 天线结构图

3 模型仿真结果与分析

运用HFSS仿真软件对天线模型进行电性能分析，得到加入“#”型EBG结构前后的S11参数对比图如图3-1所示，虚线是单纯以金属为接地板天线的S11参数曲线，实线是以“#”型EBG结构连接接地板天线的S11参数曲线；通过对照两条曲线可知，以金属接地板天线的中心频率为2.46GHz，加入EBG结构后天线的中心频率为1.89GHz，后者比前者减小了0.57GHz的中心频率，达到小型化目的。

图3-2是以“#”型EBG结构连接接地板天线在1.89GHz的辐射方向图，由图可知最大辐射方向与天线表面互相垂直，说明加入“#”型EBG结构后有效抑制了天线表面波，改善了天线性能。

592017年第7期信息技术与信息化方案与应用图3-1 S11参数对比图

西安：西安电子科技大学，2011.

[2] 郑秋容，袁乃昌，付云起.紧凑型电磁带隙结构在短路微带天线中的应用[J].电子与信息学报,2007,29(6):1500-1502.

[3] 王霞.高阻抗表面在平面天线中的应用研究[D].南京：南京理工大学，2014.

[4] 曹召涣.基于电磁超介质的天线小型化技术研究[D].郑州:解放军信息工程大学，2012.

[5] Elsheakh D N,Elsadek H A,Abdallah E A,Iskander M F,Elhenawy H.Investigated new embedded shapes of electromagnetic bandgap structures and via effect for improved microstrip patch antenna performance[J].Applied Physics A:materials science processing.2011,103(3): 541-545.

【作者简介】刘辉（1993-），女，汉，山东省济宁人，

图3-2 1.89GHz辐射方向图

4 总结

本文利用EBG结构支持慢波特性，提出一种以“#”型EBG结构连接接地板天线，该天线工作于1.89GHz，对比常规金属接地板天线，加入“#”型EBG结构后中心频率减小0.57GHz，满足实际工程中小型化要求，具有重要的现实应用意义和良好的发展前景。

山东科技大学2016级信号与信息处理专业在读硕士研究生，研究方向为微波技术与天线。

郭金傲（1993-），男，汉，山东省济宁人，工作于中铁二十三局担任试验员职务，职称：助理工程师，主要从事无机非金属材料的工作。

史美霞（1993-），女，汉，山东省栖霞人，山东科技大学在读硕士研究生，研究方向为微波技术与天线。

孙烨（1992-），男，汉，山东省淄博人，山东科技大学在读硕士研究生，研究方向为微波技术与天线。

参考文献：

[1] 谢欢欢.电磁带隙结构及在天线设计中的应 用研究[D].

（收稿日期：2017-07-08）

2017年第7期60