一 陈琦助Ｏ８理１６研—２究 ４９员６ ５３４ ｑｃｈｅｎｌ １０３＠ｃａｅｐ．ａｃ．ｃｎ 微波波段光子带隙结构在天线中的应用技术 １９８７年，Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈ和Ｊｏｈｎ分别提出光子晶体（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌｓ）的基本理论，光子晶体是指一 定光子带隙（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｂａｎｄｇａｐ，简称ＰＢＧ）人造周期性电介质结构。光子带隙结构的理论根据来源于电子的 能带理论，如果模拟这种原子排列而人工制作出周期性的电介质结构，则在这种结构中传播的波可能存在 一定的，即某一波长范围内的波不能在此周期性电介质结构中传播，光子带隙的概念也由此提出。 最近几年内，微波和毫米波领域的ＰＢＧ结构越来越引起人们的关注。在微波频段研究光子晶体具有 重要的意义，因为天线、滤波器、隔离器以及传输线等作为电子学系统的重要组成部分，它们性能的提高、 体积的减小就意味着整个射频系统性能的提高及小型化。而光子带隙结构为微波元器件的性能提高、体积 的减小提供了一种新的途径。针对光子带隙结构在微波天线中的应用，在院科技发展基金的支持下，课题 组对微波波段光子带隙结构在天线中的应用开展了深入了研究，取得了一定的研究成果¨ 。 ｌ高阻抗表面光子带隙结构短背射天线 在高阻抗表面光子带隙结构ｕ 的谐振频率附近，其形成的“磁导体面”使反射波与天线的发射波同相 位，这个特性具有很大的应用价值。在普通短背射天线的基础上，使用带隙频率位于天线辐射频率内的高 阻抗表面结构，代替原来的金属面作为反射面，并将偶极子天线与反射面的距离拉近。 一个普通偶极子短背射天线辐射中心频率位于３．３６ ＧＨｚ处，天线增益８．４ ｄＢ，反射面为金属面，距离 偶极子天线为２３．８ ｍｍ，￣２／４（２为天线辐射频率波长）长度。图１为替换高阻抗表面作反射面的短背射天线 实验模型。高阻抗表面结构反射面距离偶极子天线距离为２ ｍｍ，这时天线的辐射频率发生了一定的偏移， 中心频率为３．５ ＧＨｚ，但天线增益有所提高，为１０．９ ｄＢ，该状态Ｅ而方向图如图２所示。 ０ ０。 ６Ｏ ９Ｏ 一 主瓣率幅度＝３．８６ 孝 ｌ角宽度方向＝ｌＯ・９ ｄＢ １２０、 ０ ： ＝、 旁瓣率电平＝一１３．６ ｄＢ 图１短背射天线模型照片 １５０ 图２天线方向图 将高阻抗表面结构替代普通金属面作为短背射天线的反射面，减小了天线与反射面之间的距离，提高 了天线增益，虽然使用高阻抗表面结构会引起一定的频率偏移，但只需在设计时注意这…特性，即可以避 免其影响。这种新型的短背射天线在高度缩减和增益提升上达到了国内领先水平，研究结果预示着高阻抗 表面结构将可以在反射面天线中发挥出重要的作用。 ２基于Ｈ分形ＵＣ—ＰＢＧ结构的小型化微带天线 Ｈ分形ＵＣ—ＰＢＧ天线 ， 包括两层金属层，介质基板为ｈ＝１ ｍｍ的Ｒｏｇｅｒｓ ＲＴ／Ｄｕｒｏｉｄ ５８８０，介电常数 为 ＝２．２。Ｈ分形ＵＣ—ＰＢＧ天线正面为一个微带线馈电的传统贴片天线，工作频率为８．９ ＧＨｚ。底面则使 用一个１０阶的Ｈ分形ＵＣ．ＰＢＧ结构替代了大部分的接地面，但仍然保留了两边的原接地面与Ｈ分形 ＵＣ—ＰＢＧ结构相连接，共同组成新的接地面。 图３为Ｈ分形ＰＢＧ天线的 ｌ】参数，其拥有多个工作频率，最低为１．７５ ＧＨｚ，因此相对于传统微带 天线其尺寸缩小量达到了８０．３％。图４为Ｈ分形ＰＢＧ天线在１．７５ ＧＨｚ处的方向图，在该频率处天线具有 类似于偶极子天线的全向辐射特性，天线增益为２．６ ｄＢ。图５为该Ｈ分形ＰＢＧ天线的实物照片。 ∞ 耀 回 一频率／ＧＨｚ １８Ｏ 图３大线Ｓ参数 图４天线方向图 图５ Ｈ分形ＵＣ—ＰＢＧ结构的小型化微带天线 利用Ｈ分形ＰＢＧ结构作为基底的微带贴片天线，在天线尺寸保持不变的情况下，通过天线接地面的 改变使得天线的辐射频率由８．９ ＧＨｚ变换到了１．７５ ＧＨｚ，相当于天线尺寸获得了８０％的缩减，这种Ｈ分形 ＰＢＧ天线在新的工作频率具有类似于偶极子天线的全向方向图。Ｈ分形ＰＢＧ天线在利用光子带隙结构实 现天线小型化的研究中达到了国际前沿水平，具备良好的实际应用价值。 展望 通过课题组两年的研究工作，深入研究了光子带隙结构基本理论、分析了频率带隙产生原理与频带关 系，并对高阻抗表面结构带隙计算公式进行了修正；掌握了多种类型光子带隙结构的设计、实验方法，并 提出新颖的结构形式，提高了原有光子带隙结构的特性；利用光子带隙结构的加载，使传统天线在效率、 增益上获得了提高，天线尺寸进一步小型化，证明了光子带隙结构在微波天线中的广阔应用前景，研究成 果可以在微波天线的小型化设计中发挥重要作用。 参考文献 【１］ 陈琦，李林翠，杨 春．高阻抗表面光子带隙结构过孔研究 ．信息与电子工程，２００９，７（５）：４１３—４１５． ［２］ 陈琦，李林翠，杨 春．一种基于Ｈ分形光予带隙结构的小型微带天线【ｃ】，／２００９年全国天线年会论文集．８４１—８４４． ［３］ 何晓 ，陈琦，杨 春，等．基于 个ＣＳＲＲ结构的超宽带天线【Ｃ］，／２００９年令国天线年会论文集．８３８—８４０． ［４］Ｃｈｅｎ Ｑｉ，Ｈｅ ＸｉａｏＹａｎｇ，Ｙａｎｇ Ｃｈｕｎ，ｅｔ ａ１．Ｐａｔｃｈ ａｎｔｅｎｎａ ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ Ｈ—ｆｒａｃｔａｌ ＰＢＧ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ［Ｃ］／／Ｔｈｅ ３ｒｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ ｏｎ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｉｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅｓ ａｎｄ Ｏｐｔｉｃｓ，２００９． ［５］Ｈｅ ＸｉａｏＹａｎｇ，Ｃｈｅｎ Ｑｉ，Ｙａｎｇ Ｃｈｕｎ．Ａ ｎｏｖｅｌ ｕｌｔｒａ—ｗｉｄｅｂａｎｄ ａｎｔｅｎｎａ ｗｉｔｈ ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ ＣＳＲＲ ｓｔｕｃｔｒｕｒｅ［Ｃ］／／Ｔｈｅ ３ｒｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ ｏｎ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｉｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅｓ ａｎｄ Ｏｐｔｉｃｓ，２００９．
