基于COMSOL軟件分析磁帶隙結(jié)構(gòu)的解耦效應

由于電磁帶隙（electromagnetic band gap，簡稱 EBG）能夠“調(diào)諧出”特定頻率，所以許多應用中出現(xiàn)了它的身影。電磁帶隙可以抑制多余的電磁干擾（electromagnetic interference，簡稱 EMI），并提高電磁兼容性（electromagnetic compatibility，簡稱 EMC）。這些結(jié)構(gòu)通常安裝在相隔不遠的天線之間，以最大限度地減少相互耦合，從而提高天線性能。然而，EBG 并非總能提高天線的隔離度。借助 COMSOL Multiphysics? 軟件和附加“RF 模塊”，工程師可以對 EBG 的有效性進行分析。

通過設(shè)計電磁帶隙結(jié)構(gòu)來優(yōu)化頻率

電磁帶隙結(jié)構(gòu)是一種能夠在某些頻帶上傳遞或阻止電磁波的周期性結(jié)構(gòu)，這項功能具有廣泛應用。常見實例包括增加高頻設(shè)計中天線陣列的隔離度、提升高精度 GPS 的信噪比，以及對超寬帶設(shè)備進行頻帶抑制。與頻率選擇性表面相似的是，帶隙還有利于減少電磁干擾問題，并改善高速通信系統(tǒng)的電磁兼容性。此外，這些結(jié)構(gòu)的屏蔽特性可能用于降低人腦對移動電話的比吸收率。

比吸收率（表面）和溫度變化（等值線）。

使用互補開口諧振環(huán)的頻率選擇表面。

針對上述及其他應用，設(shè)計電磁帶隙結(jié)構(gòu)的常規(guī)流程包括以下步驟：

在晶胞層面設(shè)計 EBG

假設(shè)晶胞式樣無限重復

通過分析確定帶隙

優(yōu)化設(shè)計，在無限空間內(nèi)得到帶隙

將電磁帶隙結(jié)構(gòu)用于有限空間

然而，這種方法存在一個問題：EBG 在有限空間與無限空間中的屬性略有不同。應用錯誤的頻率、極化或耦合平面構(gòu)型會增加 天線之間的意外耦合，因此分析真實空間中的電磁帶隙結(jié)構(gòu)非常重要……

分析電磁帶隙的解耦效應

“RF 模塊”和COMSOL Multiphysics 可用于分析電磁帶隙結(jié)構(gòu)的解耦效應。首先，我們應模擬沒有帶隙的天線，為基于帶隙結(jié)構(gòu)的天線性能提供基線。EBG 通常置于天線陣列之間，但為了簡單起見，此例中僅包含兩個天線。天線由金屬條制成，金屬條由同軸電纜饋電，位于介電基板和接地平面上方。雖然這些天線元件并非完全典型，但它們能夠突出顯示與電磁帶隙結(jié)構(gòu)之間的隔離效果。

EBG 模型的幾何結(jié)構(gòu)。

運行了只含天線的模型之后，下一步便是添加 EBG。此結(jié)構(gòu)由狀似小型金屬蘑菇的物體組成，其中心為 1.85 GHz 的帶隙。其中一排“蘑菇”位于天線之間。請注意，我們使用 S21 來描述連接到同軸電纜兩端的兩個端口之間的耦合量，為了便于對 S21 的變化進行可視化，我們在靠近帶隙的頻率范圍內(nèi)運行模型。觀察這個 S 參數(shù)有助于我們確定接收天線與受激勵的源天線之間的隔離度。

查看 EBG 仿真結(jié)果

首先，我們來看兩個天線之間的耦合頻率響應結(jié)果。如下所示，添加 EBG 后，S21 測得的隔離度明顯有所提升。雖然帶隙（2.2 GHz）與分析（1.85 GHz）獲得的頻率不一致，但很可能是因為僅用了一行電磁帶隙結(jié)構(gòu)。

包含與不包含 EBG 的天線之間的耦合頻率響應。

增加 EBG 后，頻帶的某些區(qū)域中的耦合實際上變得更強，解耦帶寬的寬度也不如預期。解耦的中心頻率和帶寬取決于相對于極化的耦合平面構(gòu)型以及 EBG 元件的數(shù)量——這就造成了此示例中的效果，添加 EBG 并不總能提升隔離度。

天線周圍的電場具有（上）和沒有（下）電磁帶隙結(jié)構(gòu)。

借助 RF 仿真，工程師可以深入了解電磁帶隙結(jié)構(gòu)在抑制表面波和天線解耦方面的有效性。他們可以參考仿真數(shù)據(jù)，針對特定應用對帶隙結(jié)構(gòu)的設(shè)計進行優(yōu)化。