一种双频的EBG结构天线
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【摘要】本文描述了一个高性能的在背面加载电磁带隙结构的双频共面贴片天线，天线工作频率分别为2.45GHz和5GHz，电磁带隙结构由一个3*3的单元组成。本论文分别对共面天线，电磁带隙，和集成的天线做了阐述，尽管EBG结构比较小，但是在抑制背面辐射，提高天线增益方面获得了很好的效果。
【关键词】双频天线共面天线微带天线电磁带隙（EBG）
一、引言
电磁带隙结构是一种人工的周期结构，用来防止或者增强电磁波在特定的频带下的传播[1]。微带天线由于低剖面，轻的重量，以及很容易跟其它微波电路集成，所以很受欢迎。本论文中，我们设计了一个加载双重方型EBG结构的微带天线，以适应快速发展的高速无线局域网（WLAN），频率为2.4GHz和5.8GHz，这2个频率在工业，科学和医药以及其它个人通信系统中应用相当广泛。但是，单个贴片天线的增益往往很低，当今有很多种方法用来提高贴片天线的增益。谐振增益方式[2]包括附加一个钝化层或者覆盖层在介质板上，或者在贴片下面增加一个腔体结构，减少有效介电常数[3]，通过增加一个寄生元件来减少天线的表面波，同样能够增加天线的增益[4]。本设计通过加载双重方型EBG结构是另一种提高天线性能的方式。天线由一个共面条状的馈线和共面贴片组成，这种结构能够提供一个比较宽的工作带宽以及更加灵活的频带间隔。天线上加载的双频ebg结构作为一个高阻抗表面（HIS）能够减少天线的背面辐射，从而提高天线的增益。本论文中将EBG结构的共面天线的性能跟普通的双频天线做了比较。天线和高阻抗表面带隙结构采用HFSS微波仿真软件设计。
二、双频天线设计
本设计中的双频天线需要覆盖2.45G和5.825GHz，低频段的带宽为2%，高频段的带宽为6%。为了实现带宽，以及使得天线尽可能的薄，我们通过HFSS设计了一系列的共面天线，在[5]中简要的介绍了其中的一种设计。共面的天线结构由一个内部的贴片和外面环绕的寄生矩形环组成，由一个共面的传输线进行馈电，最外面是地结构，天线尺寸为55mm*55mm，如图1所示。共面结构的设计能够获得比微带贴片天线更大的带宽。图2为天线仿真的反射系数，由图中可以看出天线工作在2.4GHz和5.8GHz，两个频段的带宽分别为17.5%和8.2%。由图3和图4的方向图中可以看出，天线前后辐射基本相同，接近于6.1dB。
三、双频高阻抗表面设计
双频高阻抗表面有很多种几何结构，比如环绕结构，分形结构，蝶形结构等。在频率选择表面设计中，同轴的双重方形带隙结构应用的比较广泛，同时这种结构在制作上也相对比较简单[6]。在本设计中，没有使用通孔的形式，同样达到了抑制表面波的效果。高阻抗表面设计在2.2mm厚的FR4板子上，尺寸是Lo=36mm，Li=17mm， s=1mm，g=2mm。双频EBG结构的谐振频率由它的尺寸所决定。传输响应的0反射相位点跟内层的方型和外层环形相对应，这样设计是为了使得EBG的0反射相位点最大的接近2.45GHz和5.8GHz。当高阻抗表面跟天线集成的时候，这2个谐振点可能会轻微的便宜，需要适当的调整。EBG结构通过HFSS微波软件进行仿真，图5为同轴方形EBG的最佳尺寸。通过仿真，我们知道增加缝隙g会增大2个频率的谐振点，增大Lo和Li会减小相应的谐振点。内层贴片和外层环之间的开槽s，可以用来控制高频段的谐振点。
四、双频天线加载高阻抗表面
我们设计了一个EBG阵列结构作为低剖面天线的高阻抗平面，用来减少天线的背面辐射，同时也尽可能的减少跟其它天线之间的耦合。在这个部分，我们把双频CPW加载到3*3的EBG结构阵列上，完整的集成天线如图6所示。在天线跟EBG平面之间加了个1mm厚的R0hacell（介电常数=1.006），用来防止天线连接头跟单元接触。在实际中，共面馈线会延伸到EBG结构的边缘。EBG天线的全部厚度为4.48mm，大约为2.45GHz时候的0.036波长。完整的加载EBG结构的天线的反射系数如图7所示。通过仿真可以看到，集成结构的天线在低频段的带宽为4%，这远远小于共面天线的17.5%，而在高频段也是类似的，集成结构的带宽为7.6%，小于单独天线的8.2%。但是等效的微带天线在这2个频段的带宽只有2.5%和4.6%。
最后，我们分别对加载高阻抗表面的天线和单独的天线在2.45G和5.8G时候的辐射方向图进行了比较，图8和图9是它们的方向图。没有EBG结构的共面天线的方向图跟一个偶极子的方向图类似，基本趋向于全向辐射。在共面天线的背面放置EBG结构，在低频段至少减少了12dB的背向辐射，从而提高了3dB的正向辐射，证明了EBG结构的效果，在高频段也同样的显示了跟低频段同样的效果，抑制背面辐射，提高正向辐射。集成天线在2.45GHz和5.8GHz时候的增益分别为9.2dB和10.3dB，而共面天线的增益分别为6dB和6.2dB。
五、总结
本论文阐述了一个工作在无线局域网的双频加载EBG表面的共面天线，集成的天线在2.45GHz的工作带宽为4%，在5.8GHz的工作带宽为7.6%，而等效的微带贴片天线在这2个频段只有2.5%和4.6%的带宽。EBG结构作为一个高阻抗表面，由一个3*3的阵列组成。尽管EBG结构相对的比较小，但是天线在抑制背面辐射，提高辐射增益方面得到了很大的改善，大大的提高了天线的性能，获得了10.2dB的正向增益。
参考文献
[1] Yang， F.， Rahmit-Samii， Y.：‘Electromagnetic band gap structures in antenna engineering’（Cambridge University， 2009， 1st edn.）
[2] Jackson， D.R.， Alexopoulos， N.G.：‘Gain enhancement methods for printed circuit antennas’， IEEE Trans. Antennas Propag.， 1987， 33， pp. 976～987
[3] Lee， K.-F.， Ho， K.Y.， Dahele， J.S.：‘Circular-disk microstrip antenna with an air gap’， IEEE Trans. Antennas Propag.， 1984， 32， pp. 880 884
[4] P. S. Hall and Y. Hao， Eds.， Antennas and Propagation for Body Centric Communications Systems. Norwood， MA： Artech House， 2006.
[5] E. C. Kohls et al.，“A multi-band body-worn antenna vest，”in Proc IEEE Antennas Propag. Int. Symp.， 2004， vol. 1， pp. 447 450.
[6] D. F. Sievenpiper et al.，“High-impedance electromagnetic surfaces with a forbidden frequency band，”IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques， vol. 47， no. 11， pp. 2059 2074， Nov. 1999.