一種新穎的小型寬阻帶電磁帶隙結構

1 引言

電磁帶隙（electromagnetic bandgap，EBG）結構是一種自然界中并不存在的特殊電磁結構，其具有頻率帶隙特性、慢波特性、同相反射特性等特殊性能。正是由于具有這些特殊的性能，電磁帶隙結構被廣泛應用于微波和毫米波領域，應用涉及濾波器、混合器、諧振器、高效放大器、低損慢波線、高性能微波天線等。

在許多應用場合中，需要得到具有寬阻帶的小型化EBG結構。早期的EBG結構（如介質打孔、地面缺陷結構等），其周期電長度為半個波長，這給電路和天線的小型化造成了很大困難，此外這些結構還存在不利于加工和封裝等缺點。因此，適合于實際應用的小型化寬阻帶EBG結構成為了人們研究的重點。提出了一種基于接地Mushroom諧振器的雙層EBG結構，雖然它很好地解決了電路的封裝問題，但其阻帶帶寬不足3GHz。采用級聯雙周期接地Mushroom諧振器結構的方法設計了一種寬阻帶EBG結構，阻帶寬度達到5.26GHz。

事實上，單個接地Mushroom諧振器在其阻帶范圍內就具有很高的抑制度，因此可以采用級聯不同諧振頻率的接地Mushroom諧振器來獲得寬阻帶。從這種思想出發，本文通過在微帶線下方級聯具有不同大小貼片的接地Mushroom諧振器得到了寬阻帶EBG結構。為了減小EBG尺寸，對EBG結構進行S形彎折處理，得到了S型EBG結構。仿真實驗表明，S型EBG結構的20dB阻帶寬度在5GHz以上。與雙周期級聯EBG相比，S型EBG結構的電路尺寸大大減小。

2 接地Mushroom諧振器結構分析

嵌入微帶基片的接地Mushroom諧振器結構示意圖如圖1所示。它分為上下兩層，厚度均為h。上層正面為50歐姆微帶線，反面將銅皮完全腐蝕；下層正面將銅皮腐蝕后形成邊長為a的金屬貼片，貼片中心有一個直徑為d的導電過孔與接地面相連，反面是完整的金屬接地面。金屬貼片改變了微帶基片內的電場分布，增加了微帶線的等效電容，同時金屬貼片上的導電過孔會產生額外的電感。由此可以得出接地Mushroom諧振器結構的等效電路，如圖2所示。根據等效電路可知，該結構具有帶阻特性。

（a）3D模型

（b）側視圖

圖1 接地Mushroom諧振器結構

圖2 接地Mushroom諧振器的等效電路模型

為了更為直觀的展示接地Mushroom諧振器的帶阻特性，兩層介質均選擇介電常數為2.65、厚度為0.8mm的聚四氟乙烯玻璃布板。因此，位于頂層的50歐姆微帶線寬度為4mm。導電過孔直徑d=0.8mm，金屬貼片尺寸a分別為4mm、4.8mm、5.6mm、6.4mm、7.2mm。采用基于有限元法的電磁場仿真HFSS10.0對具有不同貼片大小的接地Mushroom諧振器的諧振特性進行了仿真，結果如圖3所示，諧振頻率與貼片尺寸的關系如圖4所示。

圖3 接地Mushroom諧振器諧振特性仿真結果

圖4 金屬貼片尺寸與諧振頻率的關系

由仿真結果可以看出，單個接地Mushroom諧振器在諧振頻率附近范圍內抑制度均在30dB以上，單個接地Mushroom諧振器單元就具有很好的帶阻特性。由圖4可知，不同貼片大小的接地Mushroom諧振器具有不同的諧振頻率，因此可以采用多單元級聯來獲得寬阻帶的EBG結構。