基于PBG结构的微带天线优化研究

摘

要

为了天线的工作频率能够切实的落在光子晶体的禁带范围之内，我们对一款矩形微带天线模型进行了分析计算。采用了光子晶体作为介质，以改变空气孔孔径和孔距的方法优化馈电点位置，用HFSS12电磁仿真软件进行优化分析，获得最佳传输性能。优化的结果表明了，光子晶体PBG结构能够很大程度的提高微带天线传输性能。

关键词　PBG结构

微带天线

优化

随着现代科技的发展还有人们需求的日益增大，高速发展的无线通信技术也对天线有了更高的要求，不断追求系统天线的低成本、高效率还有小型化。其中以重量轻、体积小、散射截面小还有易于制造作为特征的微带天线引起了科研人员的研究兴趣，并且现在也已经得到了广泛的应用。近年来出现的光子带隙也被称为PBG的材料，给提高微带天线整体功能提供了新的研究方向。

一、基于光子晶体PBG结构的微带天下优化设计

光子晶体的概念最开始是在光学领域中提出来的，指的是具有PBG特性的人造周期性电介质结构。而随着光子晶体的研究不断深入，对于它的应用已经不仅仅是在光学领域当中，而是深入到了微波和毫米波的领域，并且成功的应用到微波电路。天线等许多的方面，利用它本身带阻的特性，实现了宽带滤波，提高了放大器的效率，能够有效的改善天线方向图。以前我们采用的方法是在光子晶体介质当中钻孔形成二维光子结晶结构，也就是在基底里面钻出一些周期性的空气孔。我们知道，光子晶体的禁带特性和它本身的孔距、孔径还有介电常数有直接关系，如果有适当的参数，能够使天线的工作频率落在光子晶体结构禁带的范围之内，达到抑制天线基底中表面波的效果以改善天线的功能。根据研究的结果表明，在二维结构当中，只有三列孔就能够满足上面的需求，禁带的中心频率为f，是PBG结构周期的函数，它之间的具体关系是。在本等式当中f是禁带的中心频率，而d则是为孔之间的周期距离。最后结果可以知道，的取值是2.95，光子禁带的中心频率也就能够得出是2.45GHz，在上面的等式结果算出来d=35mm。所以在馈点处开始中，PBG结构是在光子晶体的基底介质上钻出空气孔，不断的优化馈点位置，切实的保证天线工作频率落在光子禁带范围内。

在表一当中列出了不同参数之下微带天线的谐振频率、天线回波损耗还有带宽的情况。优化的结果表明了，当孔距为35mm，孔径为8mm，馈点为9mm和厚度为5mm的时候，天线的传输性能就能达到最佳的效果，回波的损耗可以达到-47075dB，性能提高了接近两倍，带宽是0.13GHz，相对带宽是5.3%，保持不变的数值，在基模当中，E面增益高达18.56dB。

我们在HFSS12.0当中进行了仿真实验，通过不断的优化介质厚度，馈点位置还有孔径大小，使得天线达到最佳的传输效果。由于光子晶体存在禁带，能够有效的抑制介质表面波反射，极大程度的提高天线增益。在三维增益方向图当中可以看出微带贴片天线的最大辐射方向是微带贴片本身的法向方向，也就是Z轴的方向，而最大的增益大约是25.3dB。

二、讨论

光子晶体禁带中心频率和很多因素有直接的关系，包括孔径、孔距、介质等。光子禁带的存在能够起到较好的抑制沿基底底板介质传播表面波的作用，增加天线耦合到空间里面的电磁波辐射功率，对贴片的天线增益还有信噪比有显著的提高，达到改善天线性能的效果。

天线回波损耗是跟PBG结构空气孔半径有直接关系的，它随着空气孔半径的增大而降低，同时空气孔的半径如果越大，那么对应的频移也会增大，因为介质基片的等效介电常数是随着PBG结构的增大而减小的。伴随着孔径的增大，光子禁带谐振频率也会逐渐的右移，这样基模的回波损耗也会随之加大，高阶模的回波损耗也因此出现明显下降。这些数据都很明确的表明了PBG结构对于改善天线的工作频率是有很好的效果的，而且能够有效的抑制高阶模式的影响。

对于在同轴线馈点的微带贴片电线，因为变化也必然会导致的变化，对馈点的位置有直接的影响。而通过不断的对馈点位置的优化，则可以获得最佳的传输性能。

众多的科研人员都在这一个方面不断的进行实验，其中有的是直接对2.45GHz普通矩形的微带天线进行优化，引入了光子晶体PBG结构，最后的结果是极大地抑制天线表面波发射，极大程度降低了天线的回波损耗，还有提高光子晶体微带天线的实用性，具体的还有很多这方面的研究，对于研究天线结构都具有很高的参考价值。

参考文献：

[1]郭勇，李一玫，黄亮.一种新型光子晶体结构的微带天线[J].微波学报，2006（6）

[2]侯维娜，邵建兴，刘湘梅.一种基于光子晶体的新型微带天线设计[J].重庆邮电大学学报（自然科学版），2009（6）

[3]林若波，廖兴展，陈旭文.基于光子晶体PBG结构的微带天线优化研究[J].重庆邮电大学学报（自然科学版），2012（4）