电磁带隙结构小型化的研究和它在天线中的应用

论文摘要

电磁带隙（Electromagnetic Band-Gap,即EBG）结构的研究是发展非常迅速的领域,近年来,在理论和实践上均取得不少成果。EBG结构所具有的“带隙特性”和“表面同相反射特性”决定了它具有广阔的应用前景。探索EBG结构的小型化方法和更大绝对禁带的EBG结构仍然是该领域的热门研究方向。本文分析了采用EBG结构小型化方法时对EBG结构带隙特性的影响,并提出一种过孔位置变化法以增大EBG结构的等效电感,从而实现EBG结构的小型化,其中重点研究了金属过孔位置的变化对于EBG结构带隙的作用。为验证该方法的正确性,在一种有电容加载的EBG结构上应用该方法,应用IE3D/Zealand软件对该EBG结构用悬置微带测量法进行仿真分析,研究结果表明,在EBG结构周期不变的情况下,相对于只有电容加载的EBG结构的带隙中心频率4.85GHz,应用过孔位置法后的EBG结构的带隙中心频率移动至3.85GHz,同时,相对带宽也从9.28%扩展到11.4%。EBG结构的应用一直是EBG结构研究的热门方向,天线作为通信系统的前端,其性能对系统整体功能的发挥具有重要的作用,应用EBG结构实现天线的小型化和提高天线的增益是天线设计中的一个重要的发展方向,当前,EBG结构在微波天线中的应用已取得很多成果。本文讨论了EBG结构的两个主要特性“带隙特性”和“表面同相反射特性”,并深入讨论了EBG结构参数对它的带隙特性的影响。在文中,设计了一个微带贴片天线和一个偶极子天线;应用Ansoft/HFSS软件对天线进行仿真分析,研究结果表明,在偶极子天线中应用EBG结构作为天线的反射面,成功实现了偶极子天线的低剖面;在微带贴片天线中应用EBG结构,成功地抑制了天线中的表面波损耗,提高微带贴片天线的增益。文中对实现EBG结构小型化的过孔位置变化法进行了深入的分析,在此基础上,提出了一种扩展EBG结构的带隙带宽的有效方法——多过孔法。对提出的多过孔EBG结构,在IE3D/Zealand软件上应用悬置微带测量法进行仿真分析,在EBG结构周期不变的条件下,应用该方法使得EBG结构的绝对带宽从1.2GHz扩展到3.2GHz,相对带宽从57.1%扩展到80.5%。最后提出利用单元组合的方法研究了如何实现大带宽EBG结构,并设计了一个绝对带宽为4.5GHz,相对带宽为120%的3×5阵列的大带宽EBG结构。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题目的和意义
• 1.2 研究状况和进展
• 1.2.1 新材料（新的附加结构）的发展状况
• 1.2.2 高阻抗EBG结构的发展
• 1.2.3 多频带EBG结构
• 1.2.4 EBG结构应用的进展
• 1.3 本论文的主要工作内容和创新
• 1.4 论文结构安排
• 第二章 EBG结构频率特性分析
• 2.1 高阻抗表面
• 2.1.1 高阻电磁表面结构
• 2.1.2 高阻电磁表面的等效并联LC谐振电路
• 2.1.3 高阻电磁表面的表面阻抗
• 2.1.4 高阻电磁表面的反射相位
• 2.1.5 高阻电磁表面的辐射带宽
• 2.2 EBG结构的测量
• 2.2.1 共面微带线法
• 2.2.2 短振子测量法
• 2.2.3 表面波投射测量法
• 2.2.4 悬置微带线测量法
• 2.3 小结
• 第三章 EBG结构小型化的研究
• 3.1 引言
• 3.2 简单的EBG结构的带隙特性分析
• 3.2.1 阵列排布
• 3.2.2 金属贴片形状
• 3.2.3 过孔位置
• 3.3 EBG结构小型化的研究方法
• 3.3.1 螺旋电感法
• 3.3.2 褶皱电容法
• 3.3.3 过孔位置变化法
• 3.3.4 其它方法—空间加载法
• 3.4 小结
• 第四章 EBG结构在天线中应用的研究
• 4.1 引言
• 4.2 EBG结构低剖面天线
• 4.2.1 偶极子天线的设计
• 4.2.2 EBG结构低剖面偶极子天线的设计
• 4.3 表面波抑制微带贴片天线
• 4.3.1 矩形微带贴片天线的设计
• 4.3.2 EBG结构微带天线
• 4.4 小结
• 第五章 宽带EBG结构的研究
• 5.1 引言
• 5.2 多过孔EBG结构
• 5.2.1 多过孔EBG结构的设计
• 5.2.2 多过孔EBG结构的带隙特性
• 5.2.3 多过孔EBG结构分析
• 5.3 大带宽EBG结构的设计
• 5.4 小结
• 第六章 结束语
• 6.1 本论文的主要工作
• 6.2 后继工作和展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的成果