一种新颖的小型宽阻带电磁带隙结构

1  引言

电磁带隙（electromagnetic bandgap，EBG）结构是一种自然界中并不存在的特殊电磁结构，其具有频率带隙特性、慢波特性、同相反射特性等特殊性能。正是由于具有这些特殊的性能，电磁带隙结构被广泛应用于微波和毫米波领域，应用涉及滤波器、混合器、谐振器、高效放大器、低损慢波线、高性能微波天线等。

在许多应用场合中，需要得到具有宽阻带的小型化EBG结构。早期的EBG结构（如介质打孔、地面缺陷结构等），其周期电长度为半个波长，这给电路和天线的小型化造成了很大困难，此外这些结构还存在不利于加工和封装等缺点。因此，适合于实际应用的小型化宽阻带EBG结构成为了人们研究的重点。提出了一种基于接地Mushroom谐振器的双层EBG结构，虽然它很好地解决了电路的封装问题，但其阻带带宽不足3GHz。采用级联双周期接地Mushroom谐振器结构的方法设计了一种宽阻带EBG结构，阻带宽度达到5.26GHz。

事实上，单个接地Mushroom谐振器在其阻带范围内就具有很高的抑制度，因此可以采用级联不同谐振频率的接地Mushroom谐振器来获得宽阻带。从这种思想出发，本文通过在微带线下方级联具有不同大小贴片的接地Mushroom谐振器得到了宽阻带EBG结构。为了减小EBG尺寸，对EBG结构进行S形弯折处理，得到了S型EBG结构。仿真实验表明，S型EBG结构的20dB阻带宽度在5GHz以上。与双周期级联EBG相比，S型EBG结构的电路尺寸大大减小。

2  接地Mushroom谐振器结构分析

嵌入微带基片的接地Mushroom谐振器结构示意图如图1所示。它分为上下两层，厚度均为h。上层正面为50欧姆微带线，反面将铜皮完全腐蚀；下层正面将铜皮腐蚀后形成边长为a的金属贴片，贴片中心有一个直径为d的导电过孔与接地面相连，反面是完整的金属接地面。金属贴片改变了微带基片内的电场分布，增加了微带线的等效电容，同时金属贴片上的导电过孔会产生额外的电感。由此可以得出接地Mushroom谐振器结构的等效电路，如图2所示。根据等效电路可知，该结构具有带阻特性。

（a）3D模型

（b）侧视图

图1  接地Mushroom谐振器结构

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图2  接地Mushroom谐振器的等效电路模型

为了更为直观的展示接地Mushroom谐振器的带阻特性，两层介质均选择介电常数为2.65、厚度为0.8mm的聚四氟乙烯玻璃布板。因此，位于顶层的50欧姆微带线宽度为4mm。导电过孔直径d=0.8mm，金属贴片尺寸a分别为4mm、4.8mm、5.6mm、6.4mm、7.2mm。采用基于有限元法的电磁场仿真HFSS10.0对具有不同贴片大小的接地Mushroom谐振器的谐振特性进行了仿真，结果如图3所示，谐振频率与贴片尺寸的关系如图4所示。

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图3  接地Mushroom谐振器谐振特性仿真结果

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图4  金属贴片尺寸与谐振频率的关系

由仿真结果可以看出，单个接地Mushroom谐振器在谐振频率附近范围内抑制度均在30dB以上，单个接地Mushroom谐振器单元就具有很好的带阻特性。由图4可知，不同贴片大小的接地Mushroom谐振器具有不同的谐振频率，因此可以采用多单元级联来获得宽阻带的EBG结构。

3  基于接地Mushroom谐振器的宽阻带EBG结构

为了获得宽阻带，本文采用级联具有不同谐振频率的谐振器单元，设计了一种宽阻带EBG结构，具体结构如图5所示，表1给出了所提出EBG结构的尺寸参数。两层介质同样选择介电常数为2.65、厚度为0.8mm的聚四氟乙烯玻璃布板。

（a）立体视图

（b）俯视图

图5  宽阻带EBG结构

表1  EBG结构的参数值

根据表1给出的参数，对EBG结构作了仿真实验，结果如图6所示。由仿真结果可知，其20阻带从5.23GHz到11GHz，阻带宽度为5.77GHz。整个电路共采用10个接地Mushroom谐振器单元，电路面积为25mm×70mm。

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图6  S参数仿真结果

为了减小EBG的结构尺寸，本文提出了一种S型小型化宽阻带EBG结构，如图7（a）。由图上可以看出，它是对直线型EBG结构进行弯折处理得到的。EBG结构参数保持不变，整个电路占用面积仅为27.5mm×47.6mm，S参数仿真结果如图7（b）所示。

（a）S型EBG平面结构

 
（b）S参数仿真结果

图7  S型宽阻带EBG结构及其S参数仿真结果

将S型EBG结构与文献[7]中的双周期级联EBG结构的作了性能对比，结果如表2所示。由表2可知，本文提出的EBG结构具有阻带宽、尺寸小和谐振单元少等优点。此外，与基片打孔和地面缺陷结构相比，这种结构还具有易于加工、便于封装和结构紧凑等优点，因此适合应用于常规微波器件中。

表2  EBG结构性能比较

4  结论

本文采用级联接地Mushroom谐振器得到了一种宽阻带EBG结构；通过把微带线弯绕成S形，缩减了EBG尺寸。仿真结果表明，其20dB阻带带宽在5GHz以上。与双周期级联EBG相比，S型EBG结构的电路尺寸大大减小。如果采用高介电常数介质板，EBG结构可以更加紧凑。与基片打孔和地面缺陷结构相比，这种结构具有易于加工、便于封装和结构紧凑等优点，因此它在宽带天线和电路中具有很大的应用潜力。