本發(fā)明涉及一種十字交叉折線型(CrossFoldLine)的開槽寬頻帶共面緊湊型電磁帯隙(UniplanarCompactElectromagneticBandGap，UC-EBG)結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法，屬于電磁傳播與接收的
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：1.十字交叉折線十字交叉折線是十字型相交線的變體。圖1中給出十字交叉折線型的開槽寬頻帶共面緊湊型電磁帯隙結(jié)構(gòu)，EBG結(jié)構(gòu)由一個(gè)開槽的方向環(huán)和一個(gè)十字交叉折線型的結(jié)構(gòu)組成，十字交叉型結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角度為45度。十字交叉折線型結(jié)構(gòu)用于增加EBG結(jié)構(gòu)的電感，從而增加EBG的禁帶帶寬。2.UC-EBG結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)EBG結(jié)構(gòu)是一種具有頻率帶隙的周期電磁結(jié)構(gòu)，根據(jù)結(jié)構(gòu)特性主要可以分為四類：接地板缺陷型，基地打孔型，高阻抗表面型，共面緊湊型(UC-EBG)。其中UC-EBG結(jié)構(gòu)相比其它三種具有很多優(yōu)勢(shì)：(1)與接地板缺陷型相比，UC-EBG具有更緊湊的特性；(2)與基地打孔型相比，UC-EBG不需要在介質(zhì)基板上打孔(打孔會(huì)降低結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度)，只需在接地金屬板上蝕刻出周期結(jié)構(gòu)；(3)高阻表面EBG結(jié)構(gòu)相比，UC-EBG表面沒有通過(guò)金屬棒與接地板連接起來(lái)，因而加工簡(jiǎn)單，成本低；(4)它依靠本身的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)帶阻特性，在電路的集成性、重量及成本上具有不可代替的優(yōu)勢(shì)。3.UC-EBG結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景當(dāng)今社會(huì)正處于信息時(shí)代，人們對(duì)通信的要求越來(lái)越高。隨著移動(dòng)通信系統(tǒng)在容量和質(zhì)量上的不斷升級(jí)，再加上空間電子技術(shù)的飛速發(fā)展，勢(shì)必將帶動(dòng)用于通訊終端設(shè)備的電子元器件的同步發(fā)展，為開發(fā)新器件提供了空前的機(jī)遇。新型的電子元器件將較大地改善現(xiàn)有器件的性能，甚至取代它們。其中EBG結(jié)構(gòu)，由于其在一定的頻帶內(nèi)具有抑制表面波、能實(shí)現(xiàn)同相反射等特性，可以改善器件的功率效率、提高器件品質(zhì)因素、改變相位特性等作用，因而在提高微波器件的性能方面脫穎而出，成為微波領(lǐng)域中的一個(gè)研究熱點(diǎn)，尤其是在提高微波電路及天線性能方面，EBG結(jié)構(gòu)具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。如前所述，由于UC-EBG結(jié)構(gòu)相比其他三種類型的EBG結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊，形式靈活、便于通過(guò)集成工藝方便地實(shí)現(xiàn)等優(yōu)勢(shì)，必將在移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、航空航天等眾多領(lǐng)域發(fā)揮它的作用。目前UC-EBG結(jié)構(gòu)主要涉及濾波器、混合器、諧振器、高效放大器、諧波抑制器、高性能微波天線等等。尤其是對(duì)其在改善天線性能方面研究，一直是熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外在這方面取得了一系列成果:Roberto等人將UC-EBG結(jié)構(gòu)用作貼片天線的襯底,可以在保持交叉極化不變的情況下，將天線的增益提高3dB(文獻(xiàn)1，RobertoCoccioli,Fei-RanYang,Kuang-PingMaandTatsuoItoh,Aperture-coupledpatchantennaonUC-EBGsubstrate,IEEETransactiononMicrowaveTheoryandTechniques,Vol.47,No.11,pp.2123-2130.Nov.1999)。DaliaNashaat等人將UC-EBG結(jié)構(gòu)用于陣列天線，可以在方向圖滿足要求的情況下，提高天線陣列的增益，減小天線陣列的尺寸(文獻(xiàn)2，DaliaNashaat,HalaA.Elsadek,EsmatA.Abdallah,MagdyF.Iskander,andHadiaM.EIHennawy.UltrawideBandwidth2×2MicrostripPatchArrayAntennaUsingElectromagneticBand-GapStructure(EBG).IEEETransactiononAntennasandPropagtion,Vol.59,No.5,May2011)。將UC-EBG結(jié)構(gòu)用于天線陣列可以減小天線單元之間的互耦，提高天線的性能等(文獻(xiàn)3，HosseinSarbandiFarhani,MehdiVeysi,ManouchehrKamyab,andAlirezaTadjalli.MutualCouplingReductioninPatchAntennaArraysUsingaUC-EBGSupersubstrate.IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters,Vol.9.pp.57-59.2010)。4.寬帶UC-EBG結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法由于現(xiàn)代移動(dòng)通信飛速地發(fā)展，信道容量不斷擴(kuò)充，傳輸效率不斷提高，因此寬帶器件的研究有著重要意義。然而，UC-EBG結(jié)構(gòu)相對(duì)帶寬較窄,一般在5％-27％之間(文獻(xiàn)4，F(xiàn)uY,YuanN,andZhangG.Compacthigh-impedancesurfacesincorporatedwithinterdigitalstructure.ElectronicLetters,Vol.40,No.5,pp.310-311.2004；文獻(xiàn)5，LinBQ,CaoXY,YangYM,andWenX.Compacthigh-impedancesurfacesintegratedwithrhombicinterdigitalstructure.ElectronicsLetters,Vol.43,No.20,pp.1100-1101.2007)。展寬UC-EBG結(jié)構(gòu)帶隙帶寬的方法有增加等效電感法(X.Ye,,X.Cao,andF.Li,“UniplanarEBGstructurewithimprovedcompactandwidebandcharacteristics,”Electron.Lett.,Vol.44No.23.pp.1362-1363.2008.)，采用多過(guò)孔法(T.Wang,T.Han,andT.Wu,“ANovelPower/GroundLayerUsingArtificialSubstrateEBGforSimultaneouslySwitchingNoiseSuppression”IEEETransactiononMicrowaveTheoryandTechniques,Vol.50,No.5,pp.1164-1171.May2008)等。運(yùn)用此兩種方法能將帶寬展寬到49％-68％左右，然而增加等效電感會(huì)使表面圖案變復(fù)雜，增加加工難度，采用多過(guò)孔法也會(huì)使加工復(fù)雜。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明涉及一種十字交叉折線型(CrossFoldLine)的寬頻帶共面緊湊型電磁帯隙(UniplanarCompactElectromagneticBandGap，UC-EBG)結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法。1.本發(fā)明的具體內(nèi)容如下：(1)設(shè)計(jì)了一種十字交叉折線型的開槽CFL-UC-EBG結(jié)構(gòu)單元，如圖1所示。其中結(jié)構(gòu)單元的周期尺寸為L(zhǎng)，L1為方環(huán)內(nèi)側(cè)寬度，w1為十字折線寬度，w2為槽間距，w3為槽間微帶線寬。(2)設(shè)計(jì)了CFL-UC-EBG結(jié)構(gòu)模型，該模型頂層由3個(gè)CFL-UC-EBG結(jié)構(gòu)單元周期性排列構(gòu)成，底層為一條微帶傳輸線(如圖2)。(3)基于(1)中的結(jié)構(gòu)模型，設(shè)計(jì)了EBG結(jié)構(gòu)。其中CFL-UC-EBG介質(zhì)板材料為RogersRO6010板材，相對(duì)介電常數(shù)εr＝10.2，損耗正切角tanδ＝0.0023；CFL-UC-EBG結(jié)構(gòu)的具體尺寸如表1所示。通過(guò)全波分析法建模，仿真了結(jié)構(gòu)的S參數(shù)，如圖3所示。由圖3可知，CFL-UC-EBG結(jié)構(gòu)同向反射帯隙為63-93.5GHz相對(duì)帶寬為38.85％；由圖4可知，CFL-UC-EBG結(jié)構(gòu)禁帶帯隙為50-80GHz相對(duì)帶寬為46.15％；EBG結(jié)構(gòu)LL1L2hW1W2W3strip_widCFL-UC-EBG2.820.28280.30.10.10.10.3表1CFL-UC-EBG結(jié)構(gòu)的尺寸(單位：mm)2.本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)如下：(1)本發(fā)明設(shè)計(jì)的CFL-UC-EBG結(jié)構(gòu)具有帯隙可調(diào)的特點(diǎn)?；谑纸徊嬲劬€設(shè)計(jì)的CFL-UC-EBG結(jié)構(gòu)單元，通過(guò)改變其結(jié)構(gòu)尺寸及介質(zhì)板材料，可得到不同的帯隙特性。(2)本發(fā)明設(shè)計(jì)的CFL-UC-EBG結(jié)構(gòu)克服了傳統(tǒng)UC-EBG結(jié)構(gòu)帶寬較窄的特點(diǎn)。本發(fā)明設(shè)計(jì)的CFL-UC-EBG結(jié)構(gòu)只用3個(gè)結(jié)構(gòu)單元排列即可獲得極好的禁帶特性。所設(shè)計(jì)的CFL-UC-EBG結(jié)構(gòu)同向反射相對(duì)帶寬為38.85％，禁帶帯隙相對(duì)帶寬46.15％。(3)本發(fā)明設(shè)計(jì)的CFL-UC-EBG結(jié)構(gòu)可用于高頻毫米波天線中。3.本發(fā)明原理如下：UC-EBG結(jié)構(gòu)形成帶隙的原理：UC-EBG結(jié)構(gòu)帶隙形成是基于諧振機(jī)制的，可以用LC等效電路來(lái)進(jìn)行定性分析UC-EBG結(jié)構(gòu)的表面阻抗Zs為：ZS=jωL1-ω2LC---(3)]]>由式(3)可知，在諧振頻率處，ZS趨于無(wú)窮大,因此在諧振頻率附近表面波不能傳播，形成一個(gè)表面波帶隙。其中L和C主要由UC-EBG結(jié)構(gòu)的表面圖案決定，因此UC-EBG結(jié)構(gòu)的周期單元圖案設(shè)計(jì)對(duì)帶隙特性形成具有很大的影響。本發(fā)明將十字交叉折線引入U(xiǎn)C-EBG結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)建模、數(shù)值仿真優(yōu)化，得到需要的禁帶帯隙；通過(guò)改變結(jié)構(gòu)尺寸及介質(zhì)板材料，得到不同頻段的禁帶帯隙。附圖說(shuō)明圖1為十字交叉折線型開槽寬頻帶CFL-UC-EBG結(jié)構(gòu)單元圖2為基于圖1中的結(jié)構(gòu)單元所設(shè)計(jì)的CFL-UC-EBG結(jié)構(gòu)模型，該模型頂層由3個(gè)CFL-UC-EBG結(jié)構(gòu)單元周期性排列構(gòu)成，底層為一條微帶傳輸線。圖3為所設(shè)計(jì)的CFL-UC-EBG結(jié)構(gòu)的S11參數(shù)圖。其中，圖3為EBG結(jié)構(gòu)單元S參數(shù)仿真，其同向反射相位帯隙為63-93.5GHz,相對(duì)帶寬38.85％；圖4為CFL-UC-EBG結(jié)構(gòu)是S11和S21參數(shù)仿真，禁帶帯隙為50-80GHz，相對(duì)帶寬為46.15％。具體實(shí)施方式通過(guò)下面的具體實(shí)施方式進(jìn)一步闡明本發(fā)明實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)：(1)設(shè)計(jì)CFL-UC-EBG結(jié)構(gòu)單元。設(shè)計(jì)十字交叉折線型的開槽CFL-UC-EBG結(jié)構(gòu)單元，其中結(jié)構(gòu)單元的周期尺寸為L(zhǎng)，L1為方環(huán)內(nèi)側(cè)寬度，w1為十字折線寬度，w2為槽間距，w3為槽間微帶線寬。(2)通過(guò)數(shù)值建模確定具體參數(shù)：數(shù)值建模采用反射相位曲線法、懸置微帶線模型。首先采用RogersRO6010介質(zhì)基底仿真CFL-UC-EBG結(jié)構(gòu)的S參數(shù)。通過(guò)調(diào)節(jié)介質(zhì)基底的厚度h，周期單元尺寸L，方環(huán)內(nèi)側(cè)寬度L1，十字折線寬度w1，槽間距w2，槽間微帶線寬w3，最終確定了一組優(yōu)化參數(shù)：εr＝10.2mm,L＝2.8mm,L1＝2mm,L2＝0.2828mm,h＝0.3mm,w1＝0.1mm,w2＝0.1mm,w3＝0.1mm,strip_wid＝0.1mm。采用反射相位法仿真EBG結(jié)構(gòu)單元的同向反射相位曲線。其同向反射相位帯隙為63-93.5GHz,相對(duì)帶寬38.85％；然后仿真周期單元的數(shù)目N參數(shù)。最終確定了優(yōu)化參數(shù):N＝3。禁帶帯隙為50-80GHz，相對(duì)帶寬為46.15％。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3