EBG阵列提高屏蔽性能的研究

可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报2（2015）184EBG阵列减小互耦和提高屏蔽因子的性能研究Rahele Ahmadiana， Ferguson B.Zarrabib， ZahraMandarica伊玛目霍梅尼国际大学，电气工程系，伊朗b伊朗大不里士大不里士大学电气和计算机工程学院c伊朗德黑兰伊斯兰阿扎德大学电气工程系科学研究处2015年6月9日在线发布摘要在本文中，EBG结构包括EBG的平行板被用来减少两个全向天线之间的互耦。本文选择碟锥天线作为全向天线，比较了均匀结构和非均匀结构与常规天线阵列的性能，并与分形结构设计超宽带天线进行了比较。根据EBG超材料的特性，设计并模拟了多层EBG结构我们的目标是减少耦合或减少的S21有更好的耦合减少和屏蔽效果的应用结构作为吸收或屏蔽和屏蔽带宽在非均匀结构中增加到16 GHz。©2015 作 者 。 ElsevierB.V. 制 作 和 托 管 这 是 CCBY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：电磁带隙;超宽带;盘锥;互耦;超材料1. 介绍在许多电路中，特别是在元件分离较短的情况下，最重要的问题之一是元件之间的耦合，这会导致不同结构中因此，减少耦合和实现更有效地减少它的方法为此目的，吸收器和普通结构可以但通常对它们的寿命、机械损伤和其他特性进行讨论。超材料结构是含有周期性元素的人造材料，具有小于零的介电常数和磁导率，可以作为一种有效的环境。这些材料因其特殊的性能而在电磁领域有着广泛的应用。在电磁屏蔽和吸收器中使用超材料结构以防止电磁波传播，已经在*通讯作者。电子邮件地址：raheleahmadian@gmail.com（R. Ahmadian），fergus.zarrabi@ yahoo.com（F.B. Zarrabi），zm. gmail.com（Z.Mandarin）。电子研究所（ERI）负责同行评审http://dx.doi.org/10.1016/j.jesit.2015.06.0012314-7172/© 2015作者。Elsevier B. V.制作和托管这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。R. Ahmadian等人/电气系统与信息技术学报2（2015）184185−||21阿克斯xx2−几篇论文（Lovat等人，2008;Watts等人，2012;Azarbar和Ghalibafan，2011;Moghadasi等人，2008年）。利用不同的超材料结构来降低耦合已经成为许多研究的主题MNG的超材料被用作平面EBG，以减少微带贴片天线之间的耦合，这会导致18 dB的损耗和60%的辐射功率损耗（Salehi和Tavakoli，2006年）。 微带天线阵之间的耦合是一个一直存在的问题，它会导致表面波的产生，降低天线的性能，并干扰方向图的形状。为了解决这个问题，使用超材料来减少矩形贴片天线阵列的基板中的阵列之间的耦合（Yang和Rahmat-Samii，2003;Mirhadi和Kamyab，2010;Xie等人，2011年）。频率带隙结构，是一类超材料，实际上是人工周期性材料（有时是非周期性的），用于防止电磁波在所有辐射方向的定义频带中传播，也用于所有类型的极化。EBG结构是最著名的周期结构。 它由显示带通或带阻特性的金属或电介质元件组成（Islam和Alam，2013;Kim等人，2011年）。这些结构也已经用于其它应用中，用于将具有平行板的两个波导之间的耦合降低到20 dB，并消除其它结构之间的表面波（Mohajer-Rumvani等人，2006年）。为了提高带宽、相位特性和耦合衰减特性，提出了蘑菇形和分形形等不同的平面EBG结构。 还通过对等效电路进行建模来进行一些研究（Farahani等人，2010年;Mohajer-Rumvani和Ramahi，2010年;Kern和Werner，2006年）。不同类型的槽，如H和I，已被研究用于减少耦合，也可以减少总尺寸。已经研究了分形模型作为减少耦合和紧凑吸收器设计的有效方法（Elsheakh等人，2010;Cheng等人， 2009年）。印刷在多层电介质基板上的EBG用于微带天线阵列中以减少耦合并消除表面波（Rajo-Iglesias等人，2008年）。耦合系数通过以下等式计算（Saenz等人， 2010年版）：|C|S2=（1 −|S11|2）−（1 −|S22|（2）（1）2. EBG结构的有限元模型及Floquet展开目前，已有很多全波理论方法用于EBG结构的分析，如FDTD、FEM、FDTD（Xiaoying and Lezhu，2005）等。 HFSS是一个全波有限元模拟器，可作为商业软件使用。一般情况下，在均匀介质中波的传播如（2）和（3）所示。2 21εE+k E=jωμJ+εερ（2）H+k2H=−E（r）=10000[ jωμJ（rr）V1-ε ε rρ（rr）]G0（r，rr）dVr（4）E（r）=[r×J（rr）]G0（r，rr）dVr（5）其中G0（r，rr）表示点源响应，称为标量格林函数。在（6）定义的总条件下三维结构的有限元法（Li，2010）：-不一你好一∂ΦΣ−∂ .aφ+βΦ=f（6）V2186R. Ahmadian等人/电气系统与信息技术学报2（2015）184埃什基于伊拉斯zzxx阿克斯埃什基于伊拉斯zz.通过周期结构的Galerkin加权残差方法，我们能够计算指示波的周期部分，如（7）∂r= −a你好一∂ΦΣ−∂ .aΦ+βΦ−f（7）R. Ahmadian等人/电气系统与信息技术学报2（2015）184187我我我我4JJjeee e ee≥≥≥Ri=X我阿阿克斯z我埃埃什基z我拉拉斯+βNiΦNifdv−sNiD.n dsRe=Φje我我我我我.（1+S11）2−S212=因此元素e的加权剩余积分为Re=1NE RDV对于i ，1，2，3，4。（八）VeRe=1不，不，不。一个大的x−.ay−∂Φ∂.αz+βΦ−fdv（9）∂ΦVexx阿吉吉拉日什e∫∫∫（aNe ΦeVeaNe ΦeaNe Φeee）、∫∫∫eve埃雷（十）∂Φ ∂Φ ∂ΦD=axx+ayy+azz（十一）Σ∫∫∫我j=1NeVe阿克斯阿克斯Ne埃什基埃什基Ne-你好Nefdv−sNeD. 中文（简体）其可以矩阵形式写成：{R}={K}{Φ}-{b}-{g}（13）对于Mias等人所示的周期性结构，FEM建模将负责Floquet结构（Cai和Mias，2009）。3. 超材料理论与EBG模型提供和提高利用散射参数提取ε和μ有效值的精度一直是许多研究的目的所提出的方法大体相似，但由于基本假设和环境条件的不同，在细节上可能有所不同大多数方法和有效参数都是基于尼科尔森-罗斯方法，其中波在垂直方向上z= ±（1−S11）2−S21二（十四）1n=k0d {[Im（ln ln（ejnk0d））]+ 2mπ−jRe（ln ln（ejnk0d））}（15）其中d是单元厚度，k0表示空气中的波数，m是与Re（n）中的相位相关的整数εr和μr则可根据（16）和（17）求出（Chen等人， 2004年）。nεr=z（16）μr=nz（17）考虑到被动环境，我们应该有Im（n）0和Re（z）0。应该指出的是，只有当时间因子被认为是e-jωt时，++dv−（ax+az+az+βN N）dv拉斯拉斯我 Jve188R. Ahmadian等人/电气系统与信息技术学报2（2015）184才考虑Im（n）0的条件。否则，该值应为负值。在大多数提出的方法中，结构被认为是均匀和各向同性的。假设叶片（有效均质）非常薄。这意味着波在超材料中垂直传播的方向应该很短，因此分支点可以忽略不计。正确选择这些分支点是任务的最重要部分选择正确的m值对于答案对S11和S12的小值的敏感性非常重要。正确选择m值的方法之一是利用ε和μ作为频率函数的连续性。R. Ahmadian等人/电气系统与信息技术学报2（2015）184189πGFig. 1. 结构的LC模型如图所示。 1中，电感L和电容C的值由EBG图案的特性决定，并显示谐振行为，以解释EBG结构的带隙特征。这个模型很容易理解，但由于L和C的简单近似，结果不是很准确。EBG结构的参数如图1所示，其中w为贴片宽度，g为间隙宽度，h为衬底厚度，εr为介电常数，r为通孔半径当w+g的周期性小于波长时，EBG结构的机理可以用集总LC元件的等效模型来解释如图1所示，等效电容和电感分别是由于贴片之间的间隙和贴片上的电流引起的（Bell和Iskander，2008）。并联LC谐振电路的阻抗和谐振频率可以如下获得jωLZ=1−ω2LC（18）1ω0= ωLC（19）在低频率下，阻抗是电感性的并且可以通过TM表面波，但是在高频率下，阻抗将是电容性的并且通过TE表面波。在谐振频率ω0附近，阻抗非常高，EBG结构不通过任何表面波，导致频率带隙区域。此外，高表面阻抗确保辐射的表面波可以被反射而不反转相位。这种现象发生在完美的电导体上。窄缝的边缘电容和电感通过以下等式获得（Grelier等人， 2011年）：C= Wε0（1 + εr）cosh −1。W + g（20）L=μh（21）4. 结构和模拟结果在本文中，EBG结构，它包括EBG平行板，以减少两个全向天线之间的耦合在这里，我们选择了碟形天线作为全向天线。所有的模拟都是基于HFSS中的有限元方法进行的。最终的结构将适用于X和Ku波段的雷达应用，并通过所提出的非均匀结构，它已被试图提高结构的带宽并将该结构与三层分形结构和文献[1]中提出的多层结构进行了比较4.1. 不带EBG的在图2中，示出了由用于UWB系统的两个碟形天线组成的阵列结构。在图3中，给出了8-16 GHz的回波损耗参数。如图3所示，阵列中两个天线的S21达到最大值-26dB。190R. Ahmadian等人/电气系统与信息技术学报2（2015）184×图二.用于UWB应用的双碟形天线阵列。图三. 8-16 GHz的S11和S12见图4。具有4 mm面片的体积结构示例。4.2. 具有均匀和非均匀EBG的图 4、给出了4 mm贴片EBG结构的样品。这些管道铺设的尺寸为30 5 mm，5排。该结构设计在具有1.6mm厚度的Rogers/Duroid 5880衬底上。所有结构中的通孔直径为0.2mm，并且行之间的间距为2.4 mm。该结构位于两个全向天线之间。 图 5显示了天线的S11和S12参数之间的比较R. Ahmadian等人/电气系统与信息技术学报2（2015）184191−- -−图五. S11和S12用于具有4 mm贴片的结构。结构. 如图所示。 5，在9-14.5 GHz的范围内 ， 我 们 可 以 看 到 S 1 2 的 可 接 受 损 耗 在 2 0 和 4 7 d B 之间 。换句话说，在这里，我们可以在S21中获得最大24 dB的损耗。但在14.5-16 GHz的频率范围内，S12 为此，在图1中提出了非均匀结构。 六、图中所示的非均匀结构。 6由结构边缘的3 mm贴片组成。这种结构有一些优点和缺点。这种新结构修正了高频S12带宽的减小，也使S12的损耗减小到67dB，但导致低频S12值相对增加，如图12所示。7.第一次会议。4.3. 通过2.4 mm补片，在这里，一个统一的结构，包括2.4毫米的补丁，已经提出。该结构在论文中以平面形式使用，以减少两个波导之间的耦合（Mohajer-Rumvani等人， 2006年）。 该结构如图所示。8.第八条。图11和图12示出了天线结构的S11和S12参数的比较。9.第九条。 可以看出，该结构不能在X波段和Ku波段的较低频率中显示出期望的性能。见图6。 非均匀结构。192R. Ahmadian等人/电气系统与信息技术学报2（2015）184见图7。 比较S11和S12的非均匀结构。见图8。具有2.4 mm贴片的均匀结构。见图9。 使用2.4 mm贴片的均匀结构的S11和S12R. Ahmadian等人/电气系统与信息技术学报2（2015）184193图10个。分形结构，1 mm× 1 mm槽。见图11。 S11和S12的分形结构比较见图12。PBC条件下的EBG贴片结构。194R. Ahmadian等人/电气系统与信息技术学报2（2015）184图13岁（a）3 mm贴片;（b）4 mm贴片;（c）和分形贴片的反射相位比较R. Ahmadian等人/电气系统与信息技术学报2（2015）184195图十四岁实部介电常数和磁导率参数（a）均匀结构的实介电常数;（b）均匀结构的实磁导率;（c）非均匀的实介电常数;（d）非均匀的实磁导率;（e）分形结构的实介电常数;（f）分形结构的实磁导率。196R. Ahmadian等人/电气系统与信息技术学报2（2015）184×C≈≈RR4.4. 分形EBG图 10，分形结构已被用于均匀EBG，它实际上由尺寸为1 mm × 1 mm的槽组成。天线的S11和S12的比较如图所示。 11、结构设计。可以看出，S11和S12值与图1B中提出的初始均匀结构相比没有太大变化。 四、5. 反射相图在HFSS中，模拟EBG结构反射相位的常用方法是周期边界条件（PBC）加Floquet端口或完全E条件（PEC）和完全M条件（PMC）加波端口 图图12示出了具有PBC条件和HFSS中的Floquet端口的EBG贴片结构。本文比较了贴片尺寸为3mm和4mm、通孔半径为0.4mm的EBG结构的反射相位，并与分形几何结构进行了比较图13和此处显示了这种比较。图13 a示出了3 mm贴片的反射相位，并且其发生在19 GHz处，图13b和c呈现了4mm贴片的反射相位和分形条件，并且在这两种情况下反射相位显示出相似的方式，并且其发生在13.7GHz。确切地说，它们在EBG阵列中示出了相同的方式，如图1A和1B所示。图5和图11所示，并通过反射相位比较来强调。6. 材料参数Nicolson–Rose在Matlab中对三差EBG阵列模型进行了数值仿真。文中给出了均匀阵列4 mm贴片的结果，并与非均匀结构和分形排列进行了比较。其中v1=S21+S11，v2=S21-S11，k0=ω，d是厚度层的厚度（Majid等人， 2009年）。ε2 1 −V1jk0d1+V1（二十二）μ2 1 −V2jk0d1+V2（二十三）图图14示出了均匀、非均匀和分形结构的实部介电常数和磁导率参数。如图所示，EBG显示了不同频率的ENG、MNG或DNG，这种情况有助于减少超材料结构的耦合。而均匀结构则表现出类似分形排列的特征。因此，在这里，我们证明了超材料的属性是相同的反射相位在非均匀和分形结构。7. 屏蔽效能屏蔽一般有两个目的，一是防止电子产品辐射到外部，二是避免外部辐射到达产品。因此，从根本上屏蔽防止电磁场的传输。屏蔽效能定义为入射到屏蔽墙的电（磁）场强度与穿过屏蔽墙的电（磁）场强度之比。也可以定义为无屏蔽时入射电场与有屏蔽时入射电场的比值。计算了有、无屏蔽时距结构15mm处的场。计算了均匀和非均匀结构的屏蔽效能，并在表1中显示。与均匀结构相比，非均匀结构的屏蔽效能随着频率的增加而增加。表1计算均匀和非均匀结构的屏蔽效能7.61分贝16 GHz14 GHz12 GHz8 GHz频率−1.47dB6.91分贝7.64分贝6.86分贝6.45分贝−4.89dB−6.08dBUniformR. Ahmadian等人/电气系统与信息技术学报2（2015）184197显然，通过实施非均匀布置，屏蔽因子在16 GHz下提高了8 dB以上，因此这里实现了更大的屏蔽带宽。8. 结论本文采用EBG平行板构成的EBG结构来减小两个全向天线之间的耦合。所有的仿真都是基于HFSS中的全波法进行的最终的结构已被尝试适合于X和Ku波段雷达的应用。文中对均匀结构和非均匀结构与常规阵列天线进行了比较，并与分形结构设计超宽带结构进行了比较给出了材料参数，证明了该结构具有超材料特性，并进行了反射相位比较。通过实施非均匀布置，在16 GHz时的改善超过8 dB，S12损耗高达−67dB。引用Azarbar，A.，Ghalibafan，J.，2011. 一种用于减小互耦的紧凑型低磁导率双层EBG结构。国际J. Propag.， 文章ID 237454.贝尔，J.M.，Iskander，M.F.，2008年 超宽带EBG/铁氧体混合结构的等效电路模型。 IEEE标准普罗帕格Lett. 7，576-580。蔡玉，米亚斯角，2009. 采用递归卷积和矢量拟合的三维有限元时域- Floquet吸收边界条件建模。IETMicrow. 天线传播3（2），310-324。陈旭，Grzegorczyk，T.M.，吴湾，英-地一、小乔P.，Kong，J.A.，2004年用Robust方法求取异向介质的本构有效参数。Phys. 第五章 E70（1），016608。郑先生宋，Q.郭玉-C.的方法，陈锡铭问：施，X。-W.，2009年 一种新型EBG结构的设计及其在分形微带天线中的应用。Prog. 电磁铁。Res.Compat. 11，81-90。Elsheakh，D.M.N.，Iskander，M.F.，Abdallah，E.A.-F.、Elsadek，H. 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