PBG结构微带天线的分析与研究

王 哲

（青岛理工大学通信与电子工程学院，山东青岛,266033）

0 引言

无线传感器网络是21世纪最重要的技术之一，是信息感知和采集领域的一场革命。无线能量传输系统概念的出现，为无线传感器节点的供电提供了一种新的解决方案。无线能量传输系统接收模块的功能是由整流天线完成的，而整流天线中接收天线的性能好坏将直接决定整流天线的效率。

光子晶体是指具有光子带隙（PBG，Photonic Band-gap）特性的人造周期性电介质结构。在PBG材料中，某些频率落在光子带隙内的电磁波被完全禁止在光子晶体中传播，光子晶体的这种阻带特性被应用于微带天线和滤波器设计方面。在微带天线中引入PBG结构可以抑制表面波和高次模，提高微带天线的性能。

1 矩形微带天线的设计与仿真

本文选择采用相对介电常数εr=4.4，厚度h=4mm的介质作为基板材料。设定谐振频率为915MHz，选择微带线馈电的馈电方式，并加入了一段1/4波长阻抗转换器进行阻抗匹配。依据传输线理论设计了一个矩形微带天线，仿真得到其在基波、二次谐波和三次谐波处的回波损耗分别为-15.1841dB、-7.5209dB和-6.9957dB。

2 PBG结构微带天线的设计与仿真

近年来，各种形式的PBG结构应运而生，包括基底钻孔型、地面腐蚀型、高阻抗表面型、UC-PBG型等等。综合考虑对天线性能的提高程度和制作工艺的复杂程度，本文决定在微带天线中引入地面腐蚀型光子晶体结构来改善天线的性能，同时进行分析与研究。

在矩形微带天线中引入周期性单元为圆形和正方形的孔结构，示意图分别如图1、2：

图1 周期性单元为圆形的PBG天线的示意图

3 PBG结构微带天线的分析与研究

3.1 孔结构的数目对PBG结构微带天线传输特性的影响

设定孔结构的数目为9个，在HFSS中对建立的模型进行仿真得到周期性单元为圆形和正方形的PBG天线的S11参数曲线图分别为图3和图4：

图3 周期性单元为圆形的PBG天线的S11参数曲线图

图4 周期性单元为正方形的PBG天线的S11参数曲线图具体结果分别如表1和表2所示：

表1 周期性单元为圆形的PBG天线在谐振点的回波损耗

表2 周期性单元为正方形的PBG天线在谐振点的回波损耗

设定孔结构的数目为12个，仿真得到圆形孔和正方形孔的PBG结构微带天线的S11参数曲线图分别如图5、6：

图5 周期性单元为圆形的PBG天线的S11参数曲线图

图6 周期性单元为正方形的PBG天线的S11参数曲线图

具体结果分别如表3和表4所示：

表3 周期性单元为圆形的PBG天线在谐振点的回波损耗

表4 周期性单元为正方形的PBG天线在谐振点的回波损耗

对比这几组结果可知，对于圆形孔PBG结构微带天线，12个孔的对高次模的抑制作用较大，而9个孔的在基波处的回波损耗较小、谐振辐射较大；对于正方形孔PBG结构微带天线，12个孔的在基波处的回波损耗较小、谐振辐射较大，而9个孔的对高次模的抑制作用较大。

3.2 孔结构的间距对PBG结构微带天线传输特性的影响

固定圆形孔的半径和正方形孔的边长不变，设定L3为孔结构沿辐射边的间距，L4为孔结构沿谐振边的间距。对于引入圆形孔结构的PBG结构微带天线，设定L4=61mm，L3的取值范围为56mm-66mm；对于引入正方形孔结构的PBG结构微带天线，设定L4=58.8mm，L3的取值范围为55mm-62mm。

图7 PBG结构（圆形孔）微带天线中L3的扫描仿真结果

仿真分别得到天线的S11参数曲线图如图7、8，分析图7中的结果可知，对于周期性单元为圆形的PBG结构微带天线，沿辐射边的孔间距相对较大的天线的谐振频率更接近于普通微带天线；在L3的取值范围为60-66mm时，满足沿辐射边的孔间距越大，天线在谐振频率处的回波损耗越小。

分析图8中的结果可知，对于周期性单元为正方形的PBG结构微带天线，在沿辐射边的孔间距发生变化的情况下，基本上满足天线的谐振频率与普通微带天线的谐振频率相同。

图8 PBG结构（正方形孔）微带天线中L3的扫描仿真结果

4 总结

在设计地面腐蚀型PBG结构微带天线的过程中，对孔结构类型、孔结构的数目和沿辐射边的孔间距的选取将直接影响微带天线的性能。通过分析仿真结果可以得出以下两个结论：

（1）在需要抑制高次模而允许损失谐振辐射的设计中，可以在微带天线中引入12个圆形孔结构或者9个正方形孔结构；在需要抑制高次模而不能损失谐振辐射的设计中，可以在微带天线中引入9个圆形孔结构或者12个正方形孔结构。

（2）在9个孔的PBG结构微带天线中，其他条件不变时，沿辐射边孔间距的改变会导致圆形孔PBG结构微带天线的谐振频率和谐波辐射产生较大的变化；而沿辐射边孔间距的改变对正方形孔PBG结构微带天线的传输特性基本不会产生影响。