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研究电磁带隙结构的解耦效应

2018年 5月 16日

by Bridget Paulus

由于电磁带隙(electromagnetic band gap,简称 EBG)能够“调谐出”特定频率,所以许多应用中出现了它的身影。电磁带隙可以抑制多余的电磁干扰(electromagnetic interference,简称 EMI),并提高电磁兼容性(electromagnetic compatibility,简称 EMC)。这些结构通常安装在相隔不远的天线之间,以最大限度地减少相互耦合,从而提高天线性能。然而,EBG 并非总能提高天线的隔离度。借助 COMSOL Multiphysics® 软件和附加“RF 模块”,工程师可以对 EBG 的有效性进行分析。

通过设计电磁带隙结构来优化频率

电磁带隙结构是一种能够在某些频带上传递或阻止电磁波的周期性结构,这项功能具有广泛应用。常见实例包括增加高频设计中天线阵列的隔离度、提升高精度 GPS 的信噪比,以及对超宽带设备进行频带抑制。与频率选择性表面相似的是,带隙还有利于减少电磁干扰问题,并改善高速通信系统的电磁兼容性。此外,这些结构的屏蔽特性可能用于降低人脑对移动电话的比吸收率

显示温度变化的人体头部 SAR 模型。
比吸收率(表面)和温度变化(等值线)。

频率选择表面的电磁模型。
使用互补开口谐振环的频率选择表面。

针对上述及其他应用,设计电磁带隙结构的常规流程包括以下步骤:

  1. 在晶胞层面设计 EBG
  2. 假设晶胞式样无限重复
  3. 通过分析确定带隙
  4. 优化设计,在无限空间内得到带隙
  5. 将电磁带隙结构用于有限空间

然而,这种方法存在一个问题:EBG 在有限空间与无限空间中的属性略有不同。应用错误的频率、极化或耦合平面构型会增加 天线之间的意外耦合,因此分析真实空间中的电磁带隙结构非常重要……

分析电磁带隙的解耦效应

RF 模块”和COMSOL Multiphysics 可用于分析电磁带隙结构的解耦效应。首先,我们应模拟没有带隙的天线,为基于带隙结构的天线性能提供基线。EBG 通常置于天线阵列之间,但为了简单起见,此例中仅包含两个天线。天线由金属条制成,金属条由同轴电缆馈电,位于介电基板和接地平面上方。虽然这些天线元件并非完全典型,但它们能够突出显示与电磁带隙结构之间的隔离效果。

电磁带隙结构的模型几何。
EBG 模型的几何结构。

运行了只含天线的模型之后,下一步便是添加 EBG。此结构由状似小型金属蘑菇的物体组成,其中心为 1.85 GHz 的带隙。其中一排“蘑菇”位于天线之间。请注意,我们使用 S21 来描述连接到同轴电缆两端的两个端口之间的耦合量,为了便于对 S21 的变化进行可视化,我们在靠近带隙的频率范围内运行模型。观察这个 S 参数有助于我们确定接收天线与受激励的源天线之间的隔离度。

查看 EBG 仿真结果

首先,我们来看两个天线之间的耦合频率响应结果。如下所示,添加 EBG 后,S21 测得的隔离度明显有所提升。虽然带隙(2.2 GHz)与分析(1.85 GHz)获得的频率不一致,但很可能是因为仅用了一行电磁带隙结构。

包含与不包含电磁带隙结构的天线之间的耦合频率响应。
包含与不包含 EBG 的天线之间的耦合频率响应。

增加 EBG 后,频带的某些区域中的耦合实际上变得更强,解耦带宽的宽度也不如预期。解耦的中心频率和带宽取决于相对于极化的耦合平面构型以及 EBG 元件的数量——这就造成了此示例中的效果,添加 EBG 并不总能提升隔离度。

仿真结果显示包含 EBG 结构的电线周围的电场。
仿真结果显示不包含 EBG 结构的电线周围的电场。

天线周围的电场具有(左)和没有(右)电磁带隙结构。

借助 RF 仿真,工程师可以深入了解电磁带隙结构在抑制表面波和天线解耦方面的有效性。他们可以参考仿真数据,针对特定应用对带隙结构的设计进行优化。

后续步骤

有兴趣亲自尝试这个模型吗?单击下方按钮,访问“案例下载”页面,查看此案例的教程文档。如果您拥有有效的软件许可证和 COMSOL Access 帐户,也可以下载 MPH 文件。

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