无线通信论文电磁带隙结构在天线设计中的应用

王海

[摘 要]电磁带隙结构是一种新型的人工电磁材料，出现于上世纪80年代，是相关专家学者研究的重点内容。现在，这种特殊的人工电磁材料已经被广泛地应用于微波和天线领域。但目前大部分关于电磁带隙结构的研究还停留在已知的领域内，关于新型电磁带隙结构的研究比较少。目前，新出现的电磁带隙结构有多频带电磁带隙结构、超宽频电磁带隙结构等。这些新型的电磁带隙结构在天线设计领域中的应用还处于初级阶段。因此，进行有关新型电磁带隙结构在天线设计领域中的研究十分必要。本文将通过介绍几种新型的电磁带隙结构，具体介绍这些新型电磁带隙结构在天线设计中的应用。

[关键词]电磁带隙结构 天线设计 应用

中图分类号：TM725 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）20-0025-01

上世纪80年代末。美国的科学家提出了电磁带隙结构，这种新的前沿问题从出现开始就一直是相关领域专家、学者研究的重点。在天线设计领域中，电磁带隙结构相比于一般的材料而言，具有一定的优势。首先，在天线设计中使用电磁带隙材料可以有效降低表面波和介质波模产生的损耗。其次，使用电磁带隙材料还可以提高天线增益。总之，将电磁带隙结构应用于天线设计中是比较合理的。因此，进行有关电磁带隙结构及在天线设计中应用的研究是具有实际应用价值的。本文将从介绍多频带和小型化电磁带隙设计入手，介绍谐波抑制和陷波特性的印刷天线设计。

1 多频带和小型化电磁带隙设计

电磁带隙结构相比于其它同类结构而言具有一定的独特性，从而也吸引了大批的学者对其进行深入研究。随着电磁带隙结构在相关领域中应用的不断普及，为了满足不同的设计要求，各种新型的电磁带隙结构层出不穷。其中，多频带电磁带隙结构的出现是为了满足不同频带的应用需求。而小型化电磁带隙结构的出现则是为了提升阵列天线的性能。下文将对这两种新型的电磁带隙结构做具体的介绍。

1.1 蘑菇状电磁带隙结构分析

蘑菇状电磁带隙结构一般使用正方形的贴片，是由周期单元的谐振或共振机制产生的带隙特性。通过实验可以判断蘑菇状电磁带隙结构的频率带隙和其参数之间的关系。在实验的过程中，一般都是改变其中的一个常数，使其它参数保持不变。例如，想要观察电磁带隙贴片的边长对其频率带隙的影响，则只改变电磁带隙的边长，其它参数不变，观察实验结果。实验过程中，分别改变蘑菇状电磁带隙结构的贴片边长、电磁带隙介质的厚度、介质的相对介电常数、缝隙间距以及连接电磁带隙贴片和地板之间的金属圆柱半径。最终实验结果显示，蘑菇状电磁带隙结构的频率带隙和贴片边长、电磁带隙介质的厚度、介质的相对介电常数成反比关系，即当贴片边长、电磁带隙介质的厚度、介质的相对介电常数三个参数增大时，蘑菇状电磁带隙结构的频率带隙是减小的。而蘑菇状电磁带隙结构的频率带隙和电磁带隙的缝隙间距、连接电磁带隙贴片和地板之间的金属圆柱半径是成正比关系的。即当电磁带隙结构的缝隙间距、连接电磁带隙贴片和地板之间的金属圆柱半径增大时，蘑菇状电磁带隙结构的频率带隙是增大的。在实际应用的过程中，为了满足相关设计要求，通常会同时改变其中的几个电磁带隙结构参数。

1.2 多频带电磁带隙结构设计

我们知道，电磁带隙结构的谐振会产生频率带隙。如果想要实现多频带电磁带隙结构，则会需要使用多个谐振回路。在本文中，为了满足多个谐振回路的要求，在电磁带隙贴片上开出细槽。在电磁带隙贴片上开细槽的具体方法如下。要在贴片对角线的位置上开出四个细槽，然后再在正方形贴片的四个边上开细槽，每一条边上开出两个细槽。多个谐振回路的产生主要通过腐蚀贴片上的细槽来实现。在形成多个谐振回路后就构成了一个多频带电磁带隙结构。如图1：

1.3 小型化电磁带隙结构设计

首先，介绍螺旋地板的小型化电磁带隙结构。螺旋地板的小型化电磁带隙结构相当于并联的LC谐振电路。如果想要将电磁带隙结构的尺寸变小，则要增加等效的电容或者是增加等效的电感，这样才能够有效降低谐振频率。蘑菇状电磁带隙结构介质的磁导率和介质厚度将会影响蘑菇状电磁带隙结构的电感大小。而螺旋地板电磁带隙结构是在蘑菇状电磁带隙结构的基础上设计出来的，相比于蘑菇状电磁带隙结构多了一个额外电感，这样可以降低谐振频率。螺旋地板电磁带隙结构的谐振频率和额外电感成反比，即当额外电感增加时，谐振频率会减小。

可以利用仿真技术来对比蘑菇状电磁带隙结构和螺旋地板电磁带隙结构的性能。通过仿真实验发现，螺旋地板电磁带隙结构带隙频率在1.95GHz和2.81GHz之间，要低于蘑菇状电磁带隙结构的带隙频率。对于螺旋地板电磁带隙结构而言，如果想要降低带隙频率则需要增加电感值和减小螺旋臂宽。但在工程实践过程中，这种方法是比较难以实现的。因此，为了实现降低螺旋地板电磁带隙结构带隙频率的目的，则可以在两个螺旋地板电磁带隙结构中增加电感，即电感加载的螺旋地板小型化电磁带隙结构。

2 谐波抑制和陷波特性的印刷天线设计

微带天线具有一定的优点，同时也具有一定的缺点。微带天线的优点就是重量比较小、体积小、经济成本低、易集成。也正是因为微带天线具有这样的优点，才被广泛地应用相关领域中。例如在卫星通信、生物医学、环境检测等领域中均有使用微带天线。但微带天线也具有带宽比较窄、损耗大的缺点。如果是微带天线和射频器件集成使用，则谐波辐射不仅能会造成微带天线能量损耗，同时还会干扰射频器件。通过使用电磁带隙结构可以有效抑制谐波辐射，减少对射频器件的干扰。

电磁带隙结构的谐振可以阻断谐波附近电磁波的传播，进而形成频率带隙。电磁带隙结构的谐振有两种形式，一种是自谐振，即电磁带隙结构单元自身产生的谐振，另一种是互谐振，即电磁带隙结构单元和其它单元之间通过相互作用产生的谐振。在一些比较特殊的情况下，这两种类型的谐振可以同时存在，但其中只有一种起主要作用。蘑菇状电磁带隙结构可以产生自谐振和互谐振，其中互谐振起主要作用。共面紧凑型电磁带隙结构产生的是互谐振。哑铃型DGS（电磁带隙结构的衍生物）产生的是自谐振。如图2：

微带天线产生于上世纪70年年代，最初是由Howell和Munson研制出来的。在微带天线出现以后，经历了快速发展的阶段。微带天线的贴片有很多种形状，可以是正方形的，也可以是三角形的。正如上文所述，微带天线具有一定的优点，同时也具有一定的缺点。因此，在进行微带天线设计的过程中应尽量采取有效措施减少因微带天线缺点而带来的影响。

微带天线在工作的过程中会受谐波辐射的影响，谐波不仅会造成微带天线能量损耗，同时还会干扰其他微波器件。因此，在设计的过程中必须要抑制谐波。而利用蘑菇状电磁带隙结构的谐振特点可以有效抑制微带天线的谐波辐射。

超宽带通信技术在精准定位、探地雷达等领域中具有广泛地应用。但由于超宽带系统的工作频段与无线通信系统的频段有重合的地方，为了减少超宽带天线对无线通信系统频段的干扰，可以利用电磁带隙结构将超宽带天线设计成具有陷波特性的超宽带单极子天线。

4 总结

总之，电磁带隙结构作为一种特殊的人工电磁材料，相比于一般的电磁材料而言具有一定的优势，将其应用于微带天线设计领域中，可以提高微带天线的性能。

参考文献

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