电磁带隙结构在天线设计中的应用研究

1、电磁带隙结构在天线设计中的应用研究如今，无线通信已发展成为信息产业中应用最为广泛的一个分支, 无线电设备在大街小巷随处可见，成为人们口常生活中必不可少的重 要组成部分，与国家发展和社会生产息息相关。无线电通讯、广播、 电视、雷达、导航等遥感遥测系统都依靠无线通信技术来实现，任何 经济活动都离不开通信设备的支持，人们对无线通信技术的依赖与日 俱增，这就对通信设备功能实现的要求越来越高。随着空间电了技术 如人造卫星系统、无线导航系统、太空空间站系统等领域发展的日新 月异，为满足现代信息社会的发展需求，日趋小型化和高度集成化成 为通信终端设备电子元器件的发展目标。与此同时，无线通信技术与其他相关学科

2、和技术的紧密结合，带动 了电磁场理论、微波集成电路和器件、天线、无线传输技术、无线通 信协议等相关学科的发展，尤其天线技术的发展也达到了新的高度。 众所周知，一切无线电设备都是利用无线电波来进行工作的，电磁波 的发射和接收都要通过天线来实现。天线作为无线通信系统的门户, 其辐射性能的好坏将直接影响到系统的通信质量。对于发射天线，辐 射的电磁波能量应尽可能集中在指定的方向上，在其它方向不辐射或 辐射很弱。对于接收天线，只接收来自指定方向上的电磁波，在其它 方向接收能力很弱或不接收。例如，雷达的任务是搜索和跟踪特定目 标。雷达天线如果不具有尖锐的方向性，就无法辨识和测定目标的位 置。如果发射天线方

3、向性很弱，它所辐射的能量中只有一少部分到达 指定方向，大部分能量浪费在不需要的方向上，造成天线的有效辐射 很低。接收天线方向性弱会严重影响接收信号的质量，因为在接收到 所需要信号的同时，还将接收到来自其它方向的干扰信号或噪声信号, 致使所需信号完全淹没在干扰和噪声中因此，为了能良好实现任务， 要求天线具有一定的方向特性、较高的辐射效率和能满足系统正常工 作的频带宽度。一个结构合理、性能优良的天线系统可以最大限度地 降低对整个无线系统的要求，而增强天线系统的定向辐射功能是提高 整个无线系统性能的必要条件。1968年，前苏联物理学家在其理论研究中提到一种具有负的介电常 数和负的磁导率的负折射介质，

4、这种材料的电场、磁场与波矢符合左 手定则，坡印廷矢量的方向与波矢的方向相反，这与具有正的介电常 数和磁导率材料呈现相反的特性。但是，由于自然界中不存在这种介 质，的工作在很长的一段时间里并没有引起人们的重视。1996年，英 国科学家提出一种金属棒阵列和开口谐振金属环构成的三维周期人 造结构，实现了等效介电常数和等效磁导率分別为负值，该文为在一 定频段实现介电常数和磁导率同吋为负值的研究提供了理论基础。 2000年，美国加州大学的研究小组根据的理论文章，从实验上证实 了的双负媒质观点。他在实验中将金属棒和开口谐振金属环结合起来, 制成了第一个在rf波段介电常数和磁导率都为负的人工材料，并制 作岀

5、实验材料样品，如图1-1 (a)所示。随后，等人又通过如图的材 料装置进行了著名的棱镜实验，主要由开口谐振环加金属细线结构构 成，展示了电磁波的负折射现象。光子晶体最初是在光学领域提出的，它最显著的特性就是当光波在 晶体中传播时，某些频率范围的波将不能通过，该频率范围被称作光 子带隙，简单说光子晶体就是一种介质材料在另一种介质材料中周期 分布所组成的人造品体，由周期性的介质、金属、或金属-介质混合材 料所组成,对特定的频段呈现带阻特性。然而在光学波段的尺寸很小， 加工其波段内光子晶体的工艺要求很高，所以人工制作光子晶体还是 存在一定的困难。由于电磁波与光波都服从麦克斯韦方程组，具有同 源性，因

6、而把光子晶体在光波波段的带阻特性拓展到微波、毫米波波 段是完全可能实现的。因此，可以加工制作出一种在微波波段或更大 波段具有和光子晶体类似性质的人工材料，将比光子晶体有更大范围 的应用。在微波与毫米波频段内的光子晶体称为电磁带隙结构。1990年 yablonovitch等制作出了第一个在微波频段具有全方位禁带的光子 晶体34制作方法是在介质层上挖孔洞并按三角栅格排列，每个孔洞 都穿透三次，每次偏离法向35o,在水平面内以120。三等分，其结构 如图1-2所示。这实际上是一种介质型ebg的加工结构，该结构带隙 频率位于10ghz-13ghz,这意味着光子晶体完全可以应用在微波阶段, 为以后ebg结构在微波领域的研究奠定了基础。1999年，美国学者最先提出高阻抗表面的概念，这是一种金属-介 质混合型的二维周期结构，在介质表面印制金属贴片并通过金属过孔 将其与接地板相连接，外形类似蘑菇 itoh等人还提出另一种背衬接 地板的单面印刷的单平面紧凑型光子带隙。这种ebg结构没有金属通 孔，加工相对简单。对于金属-介质混