使用双层FSS的EBG谐振器天线的带宽改进

抽象的

提出了一种双层频率选择表面（FSS）作为增强电磁带隙（EBG）谐振器天线的带宽的装置。由于其倒反射相位变化及其宽选择性带宽，所用的结构在谐振器的辐射壁中允许增加最后一个的辐射带宽。谐振器由放置在其金属地面附近的腔内的贴片馈送源供给。由于采用双层FSS，天线带宽显着提高。显示了在5 GHz工作的天线的建模结果。

1.介绍

在过去几年中，已经提出了结合方向性和简单进料机构的新解决方案来设计紧凑的天线。介电或金属阵列已放在完美的电场上。已形成EBG谐振器天线[1-4.］.虽然已经实现了重要的增益值，但是天线型材保持紧凑（靠近半波长）。该系统的一个缺点是其窄带宽;围绕该中心频率的仅一个频率和有限的范围满足谐振模型。Feresidis和Vardaxoglou提出的最近作品[5.已经证明了谐振器天线的带宽增强，其中天线厚度等于操作波长。他们使用组合FSS来创建腔辐射墙。在这项工作中，我们建议提高A的带宽EBG谐振器天线使用双层FSS作为腔辐射壁。首先讨论使用频率选择性表面的设计。其次，描述了允许改善印刷微波天线带宽的优化谐振结构。

2. EBG谐振器原理

EBG谐振器天线是良好的候选者，以应对许多应用的紧凑性和高可直率要求。这些天线易于制造，因为它们使用在接地馈电源上周期性地布置电介质或金属板。如果腔壁设计包括频率选择表面，则它们的紧凑甚至更加改善[6.］.无论辐射壁材料是介质还是金属，都可以用一个简单的光线模型来描述垂直方向上的腔模。如果我们考虑由馈电发射的波的多次反射，当通过辐射孔投射的光线具有相等的相位时，就实现了共振。在法线方向上最大方向性的共振条件的确定方程为 是谐振腔上壁的反射阶段。是谐振器下墙的反射阶段。通常，EBG谐振器设计具有金属地面，作为下墙，和然后等于。为腔体的谐振高度;K.是传播常数。该等式强调了存在的共振存在Z.-方向。

如果波长是固定的，则在功能的功能中确定高度。通常，相位随频率线性降低，而2kh.随后增加并增加（1）仅满足于此频率周围的一个频率和窄带。

如果 （1）验证了宽频带，结构的一般行为应该是宽带。要回答宽带要求，谐振器上壁的阶段应如下（）。

对于给定的价值，可以通过最小化来放大操作带宽，这可以通过减少来实现尽可能宽的频率范围内的曲线斜率，并通过反转相位变化与频率。线性增加在谐振器带宽方面是更有利的。而2kh.频率增加，也增加，（1）可以在非常宽的频段中满足。

3.腔墙选择

基于上述分析，谐振器的下壁保持不变，而其上壁被双层FSS取代。已经表明，组合FSS提供原始反射属性，特别允许反转相位斜率[5.］.

3.1。双层FSS设计

优化的谐振器上壁由两层FSS组成，由距离分开D.。低层FSS1是具有方形环形元件的止动频带FSS。单元电池具有外部长度 mm and inner length mm. They are periodically arranged inX- 和y- 具有周期性的 mm. A study of the FSS reflectivity has been done, and reflection coefficient magnitude and phase are shown in Figures2和3.。如图所示2，反射系数幅度在5 GHz（4.5-5.5 GHz）的工作频带中的值0.85和1之间变化，以及反射阶段FSS1是积极的（）它随着频率而减少（见图3.）。

高层FSS2是由配有方形环的金属网制成的通带FSS。网格单元电池具有外部长度 mm and inner length mm (see Figure1）。网格内的方形环有 mm and mm. Reflectivity of the FSS is studied; the reflection coefficient magnitude在感兴趣的频带（4.5GHz-5.5 GHz）中的值0和0.55之间变化（见图2）和反射阶段表面是消极的（）它随着频率而减少（见图3.）。

FSS1和FSS2的关联可以产生倒反射相位斜率，如果FSS层的反射幅度具有与频率相反的变化。另外，为了提供这种特定的相位形状，FSS1和FSS2必须通过距离分开D.计算使用（1） 和 （那）;此行为是在FSS层之间安装的谐振结果： D.因此，在工作频率下等于4mm。和必须几乎相等，并且具有相反的标志来实现价值D.尽可能小。

已经分析了双层FSS的反射率。对双层FSS反射系数的检查是必要的，以确定最后一个和金属地之间的适当高度，以形成谐振器。

如图所示2和3.，双层FSS的反射方面的行为显着;它具有大约5GHz左右的频带中的最小值和增加的阶段。反射系数幅度在分析带中的0.55和1之间变化;它在5 GHz时等于0.55，并通过远离此频率而增加。当反射系数趋于1时，在研究的材料和接地平面之间形成的谐振器更具选择性且较少的宽带。反射相位具有4.8-5.4GHz的特定形状。在这个乐队中，阶段从80升起^°到100.^°它相当于20个相位偏移^°在12％的乐队中。

因此，为了获得增加的反射阶段，需要双频选择性表面层，并且它们应该与以在层之间产生共振的方式计算的适当分离距离。低层确定最终结构（其反射系数幅度）的反射率（其反射系数幅度）和具有低反射率的谐振层，并且需要负相来实现紧凑型谐振器上壁。选择高层的共振以低于或高于工作频率但不在此频率。然后高层可以完全透明。

以5GHz的方式选择上壁单元电池的几何形状，以便在5GHz处具有合理的天线指向值（约15dbi）。该值是双层FSS反射系数幅度的函数，因此是每个层反射幅度。15 dbi的方向性值对应于0.55总反射幅度值。

3.2。谐振器传递功能

上面研究的材料现在可以用于实现EBG谐振器。双层FSS用作谐振器上壁。谐振高度使用（1）（见图4.） 和（双层FSS的反射阶段），（金属地面的反射阶段），和H（谐振高度）。我们可以注意到，有一个频率范围H几乎是不变的（ mm). The resonant height is maintained constant in a frequency range of about 20% around 5 GHz. Equation (1）在宽的频带中满意。

一旦确定高度，就可以预测天线的操作带宽。求解可以找到近似值（3.）。它可以在-3 dB的最大选择性值下计算。

功能表征EBG结构的频率响应。其计算允许估计谐振器内在操作带宽，而无需考虑馈电源的质量。可以通过考虑从上墙上的贡献的总和来计算，同时通过平面波源激发谐振器。这考虑了EBG材料和金属平面之间的电磁波的多条路径。通过使用特伦蒂尼模型，用于固定极化和正常的入射，我们得到了 和分别是双层FSS的传输和反射系数，是波矢量，H是谐振器高度。

我们可以在图中看到5.，所形成的谐振器在广泛的频率下具有限制的频带滤波功能 GHz and GHz and equivalent to 22% of band. It is the resonator bandwidth that can likely be obtained using the studied double-layer FSS. The shape of the resonator antenna directivity is not the same as for its selectivity because the source contribution is not determined in (3.）。

4.天线性能

优化的FSS分开了一定距离 mm are used to design the antenna upper wall. They are placed at a distance of mm from a perfect mirror. Formed resonator is fed by a single patch source (see Figure6.）。天线的横向尺寸是 c（关于在5 GHz）。

使用FDTD方法进行了整个天线的仿真。原型的方向性如图所示7.。在5.5GHz获得约15dBI的最大方向性值，最大方向性的直率带宽等于1.3 GHz（从4.2GHz到5.5 GHz约25％）。方向性在4.2GHz的12 dB中迅速上升，以参加15 dB的剪切频率5.5 GHz，频率轴向指向率降低，辐射图案偏转。已经获得了与具有相同方向性值的典型EBG天线设计的约12％的带宽增强。

在操作带宽的中心和近边缘频率下示出了E-和H平面中的辐射图案（见图8.那9.， 和10.）。两个平面中的侧瓣级别低于-20 dB，它们仅在带的上端频率下升至-15dB，特别是在H平面中。

我们可以强调，方向性带宽符合使用谐振器选择性函数（22％）确定的带宽，即使形状也不完全相同。方向性考虑了来源的影响。它解释了仅预测谐振器的频繁响应的频繁选择性的差异

结论

已经介绍了使用双层FSS的宽带EBG谐振器天线的优化设计。双层FSS已更换谐振器设计的经典上壁。将FSS与特定分离距离相结合，允许使用频率反射相位变化，从而扩大构建谐振器的选择性。形成的EBG谐振器天线比古典EBG谐振器天线设计更宽的带宽。已经实现了12％的带宽增强。

参考

1. G. V.Trentini，“部分反射纸阵列”，天线上的IRE交易和传播，卷。4，不。4，pp。666-671,1956。查看在：出版商网站|谷歌学术
2. J. R. James，S. J.A. Kinany，P. D. Peel，和G. Andrasic，“漏洞多十中间二向色束形成器”电子字母第25卷，没有。18页1209-1211,1989。查看在：出版商网站|谷歌学术
3. C. Cheype，C. Serier，M.Venvot，T.Monediere，A.Reineix和B. Jecko，“电磁带隙谐振器天线”，天线上的IEEE事务和传播，卷。50，不。9，pp。1285-1290，2002。查看在：出版商网站|谷歌学术
4. L. Leger，C. Serier，R.Chantalat，M.Ventvenot，T.MoneDiere和B. Jecko，“1D介电EBG谐振器天线设计”Annalesdestélécommunications，卷。59，没有。3-4，pp。242-260，2004。查看在：谷歌学术
5. A. P.Feresidis和J.C.Vardaxoglou，“宽带高增益谐振腔天线，单稿”第一届欧洲天线会议的诉讼程序和传播（EUCAP '06），pp.1-5，尼斯，法国，2006年11月。查看在：出版商网站|谷歌学术
6. A. Ourir，A. de Lustrac和J.-M。LOURTIOZ，“超自然指令天线的超大基础亚壳长腔优化”，“微波和光学技术字母，卷。48，不。12，pp。2573-2577，2006。查看在：出版商网站|谷歌学术

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