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电磁带隙结构的小型化设计及其在微带天线中的应用

程海荣  
【摘要】: 近年来,电磁带隙(Electromagnetic Band Gap, EBG)结构作为一种新兴的人工材料,引起人们极大的研究兴趣。由于其本身具有禁带特性和同相反射的优越性能,应用于微带天线领域,可以有效地改善天线的辐射方向图,提高增益,减小旁瓣和后瓣等,极大地改善了天线的性能,满足了现代无线通信技术对高性能天线的要求,从而使得它在微波通信领域的应用日益广泛。 本文从构造新颖的小型化、紧凑型EBG结构和改善微带天线性能的实际应用出发,首先,归纳了EBG结构分类及分析方法;详细阐述了高阻抗表面EBG结构基本理论,包括LC等效媒质模型、EBG结构特性研究和抑制表面波的禁带特性,并简要介绍了EBG结构的实际测量方法。 其次,深入研究了EBG结构小型化的实现方法,包括增加等效电容方法和增大等效电感方法。本文主要采用第二种方法实现EBG结构的小型化,在常规EBG金属贴片中引入平面螺旋电感,从而减小了EBG结构单元尺寸,并借助电磁仿真软件Ansoft HFSS,对Spiral-like EBG结构的电磁特性进行研究。并且采用加载平面螺旋电感理论,提出了一种新颖的小型化RSR EBG结构,并对该结构模型进行实际加工,实验结果和仿真结果吻合良好,验证了EBG结构具有小型化和良好的宽带特性。在此基础上,详细分析了EBG结构参数尺寸变化对其禁带特性的影响。 最后,本文研究了小型化EBG结构在微带贴片天线的应用,主要是利用了EBG结构的禁带特性,通过抑制天线表面波,从而减小后瓣,降低阵元互耦,提高端口隔离度,改善了天线的性能。具体工作如下:(1)将RSR EBG结构作为分形贴片天线接地板使用,代替常规金属接地板,降低后瓣,提高辐射效率;(2)将RSR EBG结构加载到单层二元分形天线阵之间减小阵元间的互耦,在此基础上,增加辐射贴片周围的EBG单元数量加以改进,阵元之间的互耦降低的更加明显;(3)将Spiral-like EBG结构加载到宽带二元天线阵阵元中间,在整个宽频范围内,有效降低了阵元之间的互耦;(4)将Spiral-like EBG结构加载到二元双极化天线阵阵元中间,降低了阵元之间的同极化端口和交叉极化端口互耦,并降低后瓣;并且通过实际加工测试了EBG十二元双极化天线阵列,实验结果表明,EBG结构有效降低了同极化端口互耦,减小了后瓣,提高了增益,使之更加适于实际工程的应用。


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