CN203760653U - 一种小型多频带电磁带隙结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种小型多频带电磁带隙结构，它包括金属接地板（10）、介质基板（20）、EBG金属贴片（30）、F形槽（31）和金属圆柱形过孔（32）。通过在传统的蘑菇形电磁带隙结构（CMT-EBG）中刻蚀四个完全相同且中心对称的F形槽，延长等效电流路径的同时形成多个谐振回路，实现了小型化和多频带的综合设计。构造相应悬浮微带线仿真模型，通过观察微带线传输系数S21，该EBG结构形成了四个带隙，且具有尺寸小、带隙特性优异等特点，可以应用于多频带天线中，有效地改善天线的各项性能。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种电磁带隙(EBG)结构，尤其是一种小型多频带电磁带隙结构。通过在传统的蘑菇形电磁带隙结构(CMT-EBG)中刻蚀四个完全相同且中心对称的F形槽，延长等效电流路径的同时形成多个谐振回路，实现了小型化和多频带的综合设计，具有尺寸小、带隙特性优异等特点，可以应用于多频带天线中，有效地改善天线的各项性能。
背景技术
电磁带隙(EBG)结构作为一种特殊的人工周期性电磁材料，已经被广泛的应用于射频无线通信及其微波天线等领域。如微波电路、天线、雷达、射频标识(RFID)和减小手机SAR等各个方面。
EBG结构的频率带隙特性可以在一定频段内影响电磁波的传播而被广泛应用于天线设计中：
频率带隙特性可抑制微带天线的表面波，增加天线耦合到自由空间的辐射功率，提高天线效率；EBG材料还可以降低表面波在衬底边缘产生的旁瓣和后瓣电平、增加天线的前后比、改善天线方向图、提高天线增益。
在阵列天线设计中，EBG结构可以减少单元之间的互耦，消除阵列天线的扫描盲区。
EBG结构的缺陷模式可以设计高定向性天线，实现指定方向的波束辐射，提高天线增益。
虽然EBG结构已被广泛应用于天线设计中，由于无线通信系统的高速发展，对天线提出了更高的要求如低剖面，小型化，多频带，智能化等，而相应的EBG结构的研究仍然很薄弱，如多频带EBG、小型化EBG等方面，如何兼容多频带和小型化的设计仍然是一个难题。因此设计一款小型多频带EBG结构，可以更有效地应用到多频带天线中，改善天线的各项性能，具有实用价值和应用前景。
实用新型内容
本实用新型的目的在于实现EBG结构小型化和多频带的综合设计，从而更好地适应天线的快速发展，改善天线的各项性能。通过在传统的蘑菇形电磁带隙结构(CMT-EBG)中刻蚀四个完全相同且中心对称的F形槽，延长等效电流路径的同时引入多个谐振回路，实现了小型化和多频化的综合设计。
本实用新型所采用的技术方案是：
一种小型多频带电磁带隙结构，其特征在于：包括金属接地板(10)、介质基板(20)、EBG金属贴片(30)、F形槽(31)和金属圆柱形过孔(32)，EBG金属贴片(30)和金属接地板(10) 分别位于介质基板(20)的上下表面，F形槽(31)刻蚀在EBG金属贴片(30)上，而金属圆柱形过孔(32)垂直贯穿于金属接地板(10)、介质基板(20)和EBG金属贴片(30)。
所述的一种小型多频带电磁带隙结构，其特征在于：EBG金属贴片(30)是正方形，金属圆柱形过孔(32)位于EBG结构单元中心。
所述的一种小型多频带电磁带隙结构，其特征在于：在EBG金属贴片(30)上刻蚀了四个结构尺寸参数完全相同F形槽(31)；四个F形槽(31)关于EBG单元中心对称分布，任何一个F形槽沿中心分别旋转90度、180度和270度都可得到其它三个F形槽。
本实用新型相对于现有技术具有如下的优点及特性：
(1)相比于蘑菇形电磁带隙(CMT-EBG)结构尺寸小，第一带隙频率谐振点(1.43GHz)比相同尺寸参数的CMT-EBG结构带隙频率谐振点(2.4GHz)减小了40.4％。
(2)在1.43GHz，3.54GHz，5GHz和7.28GHz附近产生了四个带隙。实现了小型化和多频带的综合设计。
(3)带隙特性良好，四个带隙传输系数都在-30dB以下，最大可达到-69.7dB，最大带隙宽带达到1.24GHz，相对带宽达到16.4％。
(4)结构简单，易于与微波电路集成，可更好地应用到天线设计中，改善天线的性能。
附图说明
图1是EBG基本结构俯视图；
图2是EBG悬浮微带线仿真模型主视图；
图3是EBG悬浮微带线仿真模型俯视图；
图4是悬浮微带线传输系数S21仿真结果图；
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步的描述。
如图1所示，一种小型多频带电磁带隙结构，包括金属接地板(10)、介质基板(20)、EBG金属贴片(30)、F形槽(31)和金属圆柱形过孔(32)。其中金属接地板(10)、介质基板(20)和EBG金属贴片(30)都为正方形，金属接地板(10)边长为W0＝13mm，介质基板(20)的尺寸为13mm*13mm*0.8mm，EBG金属贴片(30)略小，尺寸为12mm*12mm，EBG金属贴片(30)边缘距离介质基板(20)边缘的距离为0.5mm。
本实用新型的电磁带隙结构，介质基板(20)的相对介电常数为4.4，高度为h＝0.8mm，加工成本低，易于与普通印刷电路板集成。
金属圆柱形过孔(32)贯穿于EBG金属贴片(30)、介质基板(20)和金属接地板(10)之 间，且位于EBG单元中心，半径为0.3mm。
EBG金属贴片(30)上刻蚀了四个结构尺寸参数完全相同的F形槽(31)。四个F形槽(31)关于EBG单元中心对称分布，呈螺旋状，任何一个F形槽分别沿中心旋转90度、180度和270度都可得到其他三个F形槽。
如图2，图3所示，为了观察该实用新型EBG结构的带隙特性，构造了悬浮微带线仿真模型，EBG结构置于悬浮微带线(40)和金属接地板(10)之间，形成“三明治”结构，悬浮微带线(40)刻蚀在支撑介质(21)上，观察悬浮微带线(40)的传输系数S21。支撑介质(21)可以与EBG结构的介质基板(20)相同，也可以不同，悬浮微带线(40)与EBG结构形成强耦合，减小了其他寄生传播模式的影响，能够清楚地显示EBG结构的带隙特性。
悬浮微带线仿真模型，包括金属接地板(10)、介质基板(20)、支撑介质(21)、四个完全相同的EBG金属贴片(30)、金属圆柱形过孔(31)和悬浮微带线(40)。尺寸大小为4W0*W0*2h，即52mm*13mm*1.6mm。
四个完全相同的EBG结构平行排列，位于底层。上层支撑介质(21)和介质基板(20)选择相同的介质材料，且高度都为0.8mm。最顶层悬浮微带线(40)为50欧姆微带线，尺寸为52mm*3.2mm。
如图1，图2所示，这里从EBG结构的简易等效电路模型来分析，该实用新型EBG结构小型化和多频带的形成原理。
如图2所示，当通过50欧姆馈线(31)向悬浮微带线(40)馈电时，邻近的两个EBG金属贴片(30)相互耦合，异性电荷在贴片边缘聚集，形成平行于表面的电压，可以用等效电容C1来表征。由于异性电荷需要中和，因此沿EBG金属贴片(30)表面，圆柱形金属过孔(31)、金属接地板(10)流动，形成电流回路，可以用等效电感L1来表征，从而形成了一个并联LC谐振回路，形成第一个带隙。
如图1所示，由于F形槽(31)的刻蚀，金属贴片形成螺旋状，每条槽两边聚集异性电荷，可以用等效电容C2、C3、C4来表征。异性电荷需要中和，因此沿EBG金属贴片(30)表面，圆柱形金属过孔(31)、金属接地板(10)流动，形成电流回路，可以用等效电感L2、L3、L4来表征，从而形成三个并联LC谐振回路，分别形成第二、第三、第四个带隙。
如图1所示，由于F形槽(31)的刻蚀，EBG金属贴片(30)形成螺旋状，与同尺寸的CMT-EBG结构相比，第一带隙的等效电流路径被延长，等效电感L1增大，第一谐振频率降低，尺寸大大减小。
如图1，图2，图3所示，EBG结构的具体结构尺寸为：W0＝13mm，L0＝52mm，W1＝0.6mm，W2＝0.6mm，W3＝0.5mm，W4＝0.5mm，g1＝0.5mm，g2＝0.4mm，g3＝0.5mm，h＝0.8mm，r＝0.3mm，g＝0.5mm，Wf＝3.2mm。
如图4所示，为悬浮微带线S21仿真结果图，可以明显看到在0-9GHz的频率范围内形成了四个带隙，频率谐振点分别为1.43GHz，3.54GHz，5GHz和7.28GHz。第一带隙频率谐振点比同尺寸同模型的CMT-EBG结构的带隙频率谐振点(2.49GHz)小40.4％，第一带隙的-10dB频率范围 为1.42GHz-1.52GHz，相对带宽为6.8％，S21最低点达到-31dB。第二带隙的-10dB频率范围为3.42GHz-3.78GHz，相对带宽为10％，S21最低点达到-60.8dB。第三带隙的-10dB频率范围为4.86GHz-5.19GHz，相对带宽为6.6％，S21最低点达到-39.5dB。第四带隙的-10dB频率范围为6.95GHz-8.20GHz，相对带宽为16.4％。本实用新型EBG结构，尺寸小，带隙特性良好，可用于多频带天线中，有效地改善天线的各项性能。
Claims (3)
1.一种小型多频带电磁带隙结构，其特征在于：包括金属接地板(10)、介质基板(20)、EBG金属贴片(30)、F形槽(31)和金属圆柱形过孔(32)，EBG金属贴片(30)和金属接地板(10)分别位于介质基板(20)的上下表面，F形槽(31)刻蚀在EBG金属贴片(30)上，而金属圆柱形过孔(32)垂直贯穿于金属接地板(10)、介质基板(20)和EBG金属贴片(30)。
2.根据权利要求1所述的一种小型多频带电磁带隙结构，其特征在于：EBG金属贴片(30)是正方形，金属圆柱形过孔(32)位于EBG结构单元中心。
3.根据权利要求1所述的一种小型多频带电磁带隙结构，其特征在于：在EBG金属贴片(30)上刻蚀了四个结构尺寸参数完全相同F形槽(31)；四个F形槽(31)关于EBG单元中心对称分布，任何一个F形槽沿中心分别旋转90度、180度和270度都可得到其它三个F形槽。
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