本發(fā)明提出了一種面向多種基板厚度的帶寬可調(diào)的中心對稱螺旋型共面緊湊型電磁帶隙(Uniplanar Compact Electromagnetic Band Gap，UC-EBG)結(jié)構(gòu)及其設(shè)計方法，屬于電磁波傳播與接收的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1.EBG結(jié)構(gòu)的概念及其帶隙形成機制

光子晶體是具有頻率帶隙的周期性介電材料，最初在光學(xué)領(lǐng)域提出，后來拓展到微波、毫米波段被稱為微波光子晶體或者電磁帶隙，簡稱EBG結(jié)構(gòu)。EBG結(jié)構(gòu)具有奇異的電磁波傳播特性，可以采用金屬、介質(zhì)、鐵磁或者鐵電物質(zhì)植入介質(zhì)材料周期性排列構(gòu)成，引起了人們極大興趣。早期人們提出的電磁帶隙結(jié)構(gòu)，其帶隙產(chǎn)生機理均屬于Bragg散射機制，必須滿足Bragg條件，即：a＝λ_g/2，其中，a是周期單元尺寸，λ_g光子晶體帶隙頻率對應(yīng)的導(dǎo)波波長。因此，Bragg型微波光子晶體的結(jié)構(gòu)尺寸相對比較大，在實際使用中受到很大限制。1999年，UCLA的D.Siecenpiper設(shè)計了一種“蘑菇”型(Mushroom-like)EBG結(jié)構(gòu)(文獻1，John D Joannopolous，Robert D Meade，Joshua NWinn.Photonic Crystals-modeling ofFlowing ofLight.Princeton University Press，1955)，這種結(jié)構(gòu)可以形成等效電感和電容，其頻率帶隙的產(chǎn)生可以有單元本身的諧振特性引起的，不受Bragg條件的限制，能夠很方便地將它應(yīng)用于集成電路和天線設(shè)計當(dāng)中。同年，Roberto Coccioli等人提出的共面緊湊型電磁帶隙結(jié)構(gòu)，即UC-EBG結(jié)構(gòu)(文獻2，Roberto Coccioli，F(xiàn)ei-RanYang，Kuang-Ping Ma，Tatsuo Itoh.Aperture-Coupled Patch Antenna on UC-PBG Substrate.IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORYAND TECHNIQUES.47：11(2123-2130)，Nov.1999)，也是基于諧振機制的，與Mushroom-like EBG結(jié)構(gòu)相比，這種結(jié)構(gòu)不需要金屬過孔與地板相連，加工工藝相對簡單。本發(fā)明提出的EBG結(jié)構(gòu)屬于基于諧振機制的UC-EBG結(jié)構(gòu)。

2.UC-EBG結(jié)構(gòu)的優(yōu)點

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：與基地打孔型相比，UC-EBG 不需要在介質(zhì)基板上打孔，打孔會降低結(jié)構(gòu)的機械強度，UC-EBG只需在接地金屬板上蝕刻出周期結(jié)構(gòu)；與高阻抗表明EBG結(jié)構(gòu)相比，UC-EBG表面沒有通過金屬棒與接地板連接起來，因而加工簡單，成本低；UC-EBG依靠本身的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)帶阻特性，在電路的集成性、重量及成本上具有不可替代的優(yōu)勢。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)可以用于UC-EBG。

3.EBG結(jié)構(gòu)的帶隙特性

本發(fā)明針結(jié)構(gòu)也可用于EBG結(jié)構(gòu)垂直方向的帶隙特性——人工磁導(dǎo)體(Artificial magnetic conductor，AMC)特性，即垂直方向入射到EBG結(jié)構(gòu)表面的電磁波，其反射波與入射波的相位差為零，即具有同相反射特性，一般將相位差在±90°之間視為同相反射，且將反射相位曲線上，此相位范圍對應(yīng)的頻率范圍稱為帶隙。將此種EBG結(jié)構(gòu)用作天線的反射板，可以減小天線的剖面積，增加天線增益和輻射效率等。

4.UC-EBG結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

當(dāng)今社會正處于信息時代，人們對通信的要求越來越高。隨著移動通信系統(tǒng)在容量和質(zhì)量上的不斷升級，再加上空間電子技術(shù)的飛速發(fā)展，勢必將帶動用于通訊終端設(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)域中的一個研究熱點，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)用價值。將EBG結(jié)構(gòu)用于微帶天線中，可以抑制高次諧波(文獻3，Yasushi Horii and Makoto Tsutsumi，Harmonic control by photonic bandgap on microstrip patch antenna.IEEE Microwave and Guided Wave Letters.9(1)，January 1999)；將EBG結(jié)構(gòu)用作天線的沉底，對于抑制天線的表面波、提高天線增益與輻射效率具有獨特的優(yōu)點(文獻4，Roberto Coccioli，F(xiàn)ei-Ran Yang，Kuang-Ping Ma and Tatsuo Itoh，Aperture-coupled patch antenna on UC-EBG substrate，IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques.47(11)：2123-2130，Nov.1999)；EBG結(jié)構(gòu)用做RFID的天線接地面，可以改善天線的性能(文獻5，Design of Planar Artificial Magnetic Conductor Ground Plane Using Frequency-Selective Surfaces for Frequencies Below 1GHz，IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS.8：951954.2009)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種新的中心對稱回旋型EBG結(jié)構(gòu)，基于FR4基板的不同厚度，可以實現(xiàn)多種頻帶的帶寬，且在相同厚度的基礎(chǔ)上，頻帶會隨著基板介電常數(shù)改變而發(fā)生改變。可用于相應(yīng)頻段的天線。

1.本發(fā)明的具體內(nèi)容如下：

(1)設(shè)計了一種新型中心對稱回旋型EBG結(jié)構(gòu)，由矩形平移、旋轉(zhuǎn)而成，形成中心對稱的大矩形結(jié)構(gòu)單元，矩形寬度保持不變，且橫向和縱向間隙寬度相同。矩形寬度為2.5mm，各旋轉(zhuǎn)線間距離為0.2mm(圖1所示)；

(2)將設(shè)計的新型結(jié)構(gòu)作為UC-EBG，在以相對介電常數(shù)為4.4，介質(zhì)損耗為0.02的FR4為介質(zhì)基底覆蓋設(shè)計的結(jié)構(gòu)(圖2所示)，在不同厚度的基板上能得到不同的帶隙寬度(圖3～7所示)，其中當(dāng)厚度為2.0mm、1.8mm和1.6mm時在0～50GHz的范圍內(nèi)能得到兩個帶隙，厚度為1.4mm和1.2mm時只有一個帶隙，但隨著基板厚度的減小，帶隙寬度會增加；

(3)設(shè)計了同向排列的5個新型UC-EBG周期單元的UC-EBG結(jié)構(gòu)模型(圖8所示)：模型建立在雙面覆銅的介質(zhì)基板上，將銅箔的一面蝕刻成所設(shè)計的中心對稱回旋型槽結(jié)構(gòu)，另一面蝕刻成一條微帶線(圖9所示)，在UC-EBG結(jié)構(gòu)尺寸一定的情況下，通過改變介質(zhì)基底的相對介電常數(shù)ε，使得在厚度為1.2mm基板上的結(jié)構(gòu)的S參數(shù)帶隙可以在一定范圍內(nèi)向高頻或者低頻移動(圖10所示)；

(4)在UC-EBG結(jié)構(gòu)尺寸和基板的相對介電常數(shù)、介質(zhì)損耗和材料一定的情況下，通過改變減小基板厚度的，使得帶隙拓寬，從而實現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的小型化(圖11～15所示)。

2.本發(fā)明優(yōu)點如下：

(1)本發(fā)明屬于UC-EBG結(jié)構(gòu)，可以用PCB印刷電路板技術(shù)實現(xiàn)，中心對稱回旋型結(jié)構(gòu)都是矩形組成，非常簡單，易于加工；

(2)本發(fā)明提出的設(shè)計結(jié)構(gòu)在基板上表面，改變基板厚度，來實現(xiàn)帶隙個數(shù)的改變；

(3)本發(fā)明設(shè)計的結(jié)構(gòu)在基板下表面挖槽，改變基板相對介電常數(shù)，來實現(xiàn)頻 帶的移動；減小基板厚度，帶隙拓寬達到小型化

(4)本發(fā)明設(shè)計的UC-EBG結(jié)構(gòu)實際可應(yīng)用與之相應(yīng)工作頻段的多頻天線或相應(yīng)工作頻段的電路中。

3.本發(fā)明的工作原理如下：

UC-EBG結(jié)構(gòu)帶隙形成是基于諧振機制的，可以用LC等效電路來進行定性分析UC-EBG結(jié)構(gòu)的表面阻抗Z_S為：由此時可知，在諧振頻率處，Z_S趨于無窮大，因此在諧振頻率附近表面波不能傳播，形成一個表面波帶隙。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)計對帶隙特性形成具有很大的影響。通過數(shù)值仿真優(yōu)化，調(diào)節(jié)設(shè)計的中心對稱回旋型EBG結(jié)構(gòu)的尺寸，對結(jié)構(gòu)中矩形的寬度和間隙寬度進行優(yōu)化，而形成較大的帶寬。增大介質(zhì)基底的相對介電常數(shù)實現(xiàn)帶隙往低頻移動的原理是，UC-EBG結(jié)構(gòu)的等效LC電路模型中，C的大小依賴于介質(zhì)基底的相對介電常數(shù)。相對介電常數(shù)越大，C值就越大，由式(2)可知，ω₀將向低頻方向移動。

基于前面所有的研究，容易得到設(shè)計的寬頻帶的中心對稱回旋型UC-EBG結(jié)構(gòu)：選擇螺旋線的寬度和間隙寬度進行優(yōu)化，盡可能地增大螺旋線寬度和減小間隙寬度，可提高對單元貼片的利用率，在條件允許的范圍內(nèi)，選擇相對介電常數(shù)較大的介質(zhì)。

附圖說明

圖1為所設(shè)計的中心對稱回旋型EBG的結(jié)構(gòu)圖，由矩形塊平移旋轉(zhuǎn)而成，形成中心對稱的結(jié)構(gòu)，矩形寬度L相同，L的值為2.5mm，回旋線之間縱向和橫向間隙的寬度為s，s的值為0.2mm。

圖2設(shè)計的單個周期單元的UC-EBG結(jié)構(gòu)示意圖，尺寸為18.5×16mm²其中介質(zhì)基底為相對介電常數(shù)ε為4.4，介質(zhì)損耗tanδ為0.02的FR4，介質(zhì)基板厚度為h，h從1.2mm變化到2.0mm，步長為0.2mm。設(shè)計的結(jié)構(gòu)平面以銅箔的形式覆在介質(zhì)基板上，介質(zhì)基板上方空氣盒的高度為6h。

圖3～7分別為介質(zhì)基板厚度為1.2mm、1.4mm、1.6mm、1.8mm、2.0mm時 的反射相位圖，從圖中可以看出相位在±90°之間的帶寬為30.75GHz(16.92～47.67GHz)、19.04GHz(13.03～32.07GHz)、14.56GHz(8.61～23.17GHz)和15.20GHz(39.39～54.59GHz)、11.05GHz(7.85～18.90GHz)和12.33GHz(31.72～44.05GHz)、8.72GHz(7.19～15.91GHz)和9.80GHz(26.67～36.47GHz)。

圖8是5個同向排列的周期單元形成的UC-EBG結(jié)構(gòu)模型，整體尺寸為93.7×16.2mm²。

圖9位利用微帶懸置法仿真的UC-EBG帶隙的建模結(jié)構(gòu)圖：UC-EBG圖案蝕刻在以厚度h的介質(zhì)基底的覆銅箔板上，其中銅箔的厚度為0.018mm。模型上表面的微帶線也為同樣厚度的銅箔，微帶線的寬度為W，阻抗為50Ω。微帶線的兩端在分別連接兩個端口，兩個端口的阻抗也都設(shè)置為50Ω。

圖10(a)、(b)、(c)分別為圖9模型中基板厚度h＝1.2mm，微帶線寬度W＝2.45mm，介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)ε為3.0、3.5、4.0時的仿真結(jié)果，得到的S₁₁>-10dB且S₂₁<-20dB的帶寬為4.35GHz(11.88～16.23GHz)、4.15GHz(11.20～15.35GHz)、4.05GHz(10.54～14.59GHz)。

圖11為圖9模型中基板厚度h＝1.2mm，微帶線寬度W＝2.45mm，介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)ε為4.4時的仿真結(jié)果，得到的S₁₁>-10dB且S₂₁<-20dB的帶寬為5.51GHz(9.27～14.78GHz)。

圖12為圖9模型中基板厚度h＝1.4mm，微帶線寬度W＝2.93mm，介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)ε為4.4時的仿真結(jié)果，得到的S₁₁>-10dB且S₂₁<-20dB的帶寬為5.28GHz(9.22～14.50GHz)。

圖13為圖9模型中基板厚度h＝1.6mm，微帶線寬度W＝3.45mm，介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)ε為4.4時的仿真結(jié)果，得到的S₁₁>-10dB且S₂₁<-20dB的帶寬為4.62GHz(9.62～14.24GHz)。

圖14為圖9模型中基板厚度h＝1.8mm，微帶線寬度W＝4.00mm，介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)ε為4.4時的仿真結(jié)果，得到的S₁₁>-10dB且S₂₁<-20dB的帶寬為4.30GHz(9.79～14.09GHz)。

圖15為圖9模型中基板厚度h＝2.0mm，微帶線寬度W＝4.45mm，介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)ε為4.4時的仿真結(jié)果，得到的S₁₁>-10dB且S₂₁<-20dB的帶寬為4.01GHz(9.93～13.94GHz)。

具體實施方式

本發(fā)明具體實施方式如下所述。

第一，首先運用矩形的平移和旋轉(zhuǎn)，設(shè)計出如圖1所示的新型中心對稱回旋型結(jié)構(gòu)。

第二，選擇工藝較容易的UC-EBG，將設(shè)計的結(jié)構(gòu)作為銅箔的形狀覆在相對介電常數(shù)為ε＝4.4，介質(zhì)損耗tanδ＝0.02，厚度為h＝0.8mm的FR4介質(zhì)基板上，用高度為7h的空氣盒包裹整個結(jié)構(gòu)，設(shè)置相應(yīng)的邊界條件，對0～50GHz的頻率范圍進行求解(如圖2所示)，發(fā)現(xiàn)反射相位可用范圍太窄，不符合設(shè)計要求。

第三，改變介質(zhì)基板的厚度為1.6mm，用同樣的方法進行仿真，得到較寬的頻帶范圍，對設(shè)計結(jié)構(gòu)螺旋線的寬度L和螺旋線間距離s進行優(yōu)化，盡可能得到寬的帶隙，最終確定螺旋線寬度L為2.5mm，螺旋線間距離s為0.2mm，之后單元結(jié)構(gòu)的尺寸保持不變。

第四，對介質(zhì)基板的厚度進行優(yōu)化，設(shè)置介質(zhì)基板的厚度從1.2mm到2.0mm之間變化，步長為0.2mm，得到相應(yīng)的反射相位曲線(圖3～7)，分析不同厚度基板下的曲線圖，當(dāng)基板厚度為2.0mm、1.8mm和1.6mm時，60GHz下可以得到兩個帶寬，分別為8.72GHz(7.19～15.91GHz)和9.80GHz(26.67～36.47GHz)、11.05GHz(7.85～18.90GHz)和12.33GHz(31.72～44.05GHz)以及14.56GHz(8.61～23.17GHz)和15.20GHz(39.39～54.59GHz)，當(dāng)基板厚度為14.mm和1.2mm時，只有一個帶隙，分別為19.04GHz(13.03～32.07GHz)以及30.75GHz(16.92～47.67GHz)。單獨看每個帶隙，發(fā)現(xiàn)當(dāng)介質(zhì)基板厚度越厚，帶隙寬度越寬。為了得到更精準的結(jié)果，對有兩個帶隙的模型進行分段求解。

第五，通過數(shù)值建模建立一個測量S參數(shù)的模型，模型采用懸置微帶線的方法，5個設(shè)計結(jié)構(gòu)單元同向地以槽的形式蝕刻在基板底部的銅箔上，介質(zhì)基板仍為相對介電常數(shù)為ε＝4.4，介質(zhì)損耗tanδ＝0.02，厚度為h＝0.8mm的FR4，微帶線兩側(cè)設(shè)置兩個端口。設(shè)置微帶線阻抗和兩端口阻抗都為50Ω，基板的厚度為1.6mm，并在5～15GHz范圍內(nèi)進行求解，得到4.62GHz的帶隙寬度。

第六，在同一模型中對基板厚度進行優(yōu)化，設(shè)置介質(zhì)基板的厚度從1.2mm到2.0mm之間變化，步長為0.2mm，得到相應(yīng)的S參數(shù)曲線?；搴穸葹?.2mm、1.4mm、1.6mm、1.8mm和2.0mm時，得到的S₁₁>-10dB且S₂₁<-20dB的帶寬 分別為5.51GHz(9.27～14.78GHz)、5.28GHz(9.22～14.50GHz)、4.62GHz(9.62～14.24GHz)、4.30GHz(9.79～14.09GHz)和4.01GHz(9.93～13.94GHz)，分析數(shù)據(jù)可得知，隨著基板厚度的變薄，帶隙寬度反而增加，在一定程度上實現(xiàn)了小型化。

第七，在同一模型中，保持基板厚度不變，h為1.2mm，對基板的相對介電常數(shù)進行優(yōu)化，設(shè)置相對介電常數(shù)為3.0、3.5、4.0，得到相應(yīng)的S參數(shù)曲線。相對介電常數(shù)為3.0、3.5、4.0和4.4時，得到的S₁₁>-10dB且S₂₁<-20dB的帶寬分別為4.35GHz(11.88～16.23GHz)、4.15GHz(11.20～15.35GHz)、4.05GHz(10.54～14.59GHz)和5.51GHz(9.27～14.78GHz)。分析數(shù)據(jù)可知，隨著相對介電常數(shù)的增大，帶隙逐漸向低頻方向移動。