具有PBG结构的微带天线研究

摘要

具有PBG(Photonic Band-Gap)结构的微带天线研究是近年来兴起的一个新的研究领域。为了达到小型化和拓宽带宽的目的，微带天线往往采用高介电常数的基片和附加阻抗匹配网络等措施，带来很大的表面波效应。PBG结构所具有的带阻特性，可以有效地抑制特定频带范围内的表面波传播，从而显著提高微带天线的方向性、阻抗特性和增益等性能。目前，国内外研究机构已经在地面腐蚀型、基底钻孔型、高阻抗表面、UC-PBG(Unipalar Compact Photonic Band-Gap)型微带天线等方面开展了研究工作。本文首先详细阐述了PBG结构的基本性质和基础理论，并归纳了目前应用比较广泛的PBG结构的分析方法，综述了PBG结构在微波频段的主要应用。对微带天线的基本辐射原理和设计方法进行了简要介绍，讨论了微带天线的几种常见分析方法，确定了所要研究微带天线的基本形式、尺寸和馈电方式。然后对高阻抗表面PBG结构进行了详细的理论分析，讨论了PBG结构各个参数对于其传输特性的影响。通过CST-Microwave Studio仿真软件分别对高阻抗表面PBG结构和UC-PBG结构进行了仿真，在此基础上对PBG结构的各项指标进行了优化，在要求的频段内得到了比较理想的结果。最后分别对地板腐蚀型PBG结构、高阻抗表面PBG结构和地板腐蚀型PBG结构微带天线进行了仿真。仿真所得结果与理论分析吻合得很好，证明了在微带天线上附加PBG结构能够有效改善天线的多项指标。同时制作了具有UC-PBG结构的GPS圆极化微带天线并对其进行了实测。得到了比较满意的结果，验证了理论研究的正确性。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 研究目的和意义

1.3 国内外研究现状

1.4 本文主要章节安排

第2章 微波频段的PBG结构

2.1 光子晶体的基本性质

2.2 光子晶体基础理论

2.2.1 光子晶体中的麦克斯韦方程组

2.2.2 光子晶体的物理基础

2.3 微波频段PBG结构的分析方法

2.4 光子晶体的应用

2.5 本章小结

第3章 微带天线原理与设计

3.1 微带天线辐射原理

3.2 微带天线的分析方法

3.2.1 传输线模型法

3.2.2 空腔模型法

3.3 矩形微带天线的设计

3.3.1 介质基板的选取

3.3.2 天线尺寸的确定

3.3.3 馈电方式的选择和阻抗匹配

3.3.4 圆极化

3.4 矩形空气微带天线的设计与制作

3.5 本章小结

第4章 高阻抗表面PBG结构特性研究

4.1 高阻抗表面基础理论

4.1.1 表面波

4.1.2 等效媒质模型

4.1.3 表面阻抗

4.1.4 反射相位

4.2 高阻抗表面PBG结构特性测量

4.3 高阻抗表面PBG结构的仿真

4.3.1 3×3 高阻抗表面的仿真

4.3.2 各项尺寸参数对高阻抗表面PBG结构性能的影响

4.4 高阻抗表面PBG结构实物制作与测试

4.5 本章小结

第5章 PBG结构微带天线的仿真、实物制作与测试

5.1 地面腐蚀型PBG微带天线的设计与仿真

5.2 高阻抗表面PBG微带天线的设计与仿真

5.3 UC-PBG结构设计与仿真

5.3.1 UC-PBG结构设计与仿真

5.3.2 UC-PBG结构微带天线设计与仿真

5.4 UC-PBG结构微带天线制作与测量

5.4.1 阻抗特性测量

5.4.2 增益测量

5.4.3 方向图测量

5.4.4 轴比测量

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢