马洪伟 陈世斌

摘  要：为了提升天线的增益和方向性，该文研究了EBG（电磁带隙结构）基板及其宏观结构变化对偶极子天线的性能的影响。采用光固化3D打印技术与凝胶注模工艺相结合，制备不同宏观结构的EBG基板并测试其对偶极子天线性能的影响，实验结果表明，相比于无凹槽的EBG基板，有凹槽的EBG基板性能更优;当凹槽被3个周期包围时，效果最好，天线的增益提高了1 dB。研究表明EBG基板宏观结构变化能够提高天线的增益和改善方向性，为工程应用提高了借鉴。

关键词 ：电磁带隙结构  天线基板  3D打印  宏观结构  增益

中图分类号：TP391.73 文献标识码：A

Abstract： In order to improve the gain and directivity of the antenna， the effects of the EBG substrate and its macro-structure changes on the performance of the dipole antenna has been studied in this paper. The UV curing 3D printing technology and gel casting process were combined to prepare EBG substrates with different macroscopical structure and their effects on dipole antenna performance were tested. The experimental results showed that the performance of substrates with grooves was better than that without grooves. When the groove was surrounded by three cycles， the effect was the best，the antenna’s gain has been increased by 1 dB. The research demonstrated that the macro-structure change of an EBG substrate could improve the gain and directivity of an antenna， which provided reference for engineering application.

Key Words： EBG; Antenna substrate; 3D printing; Macro-structure; Gain

天线是辐射和接收无线电波信号的装置，在民用和军事领域中有着广泛的应用。但是，普通的平板天线由于基板透射性等原因，会出现能量损失、表面波效应和信号干扰等缺点，因此改善基板性能，对提升天线的效能有着重要的意义。

光子晶体是由不同介电常数的介质材料通过周期性排列而成的人工微晶体[1-2]，具有光子禁带等特性[3]，当其禁带区间落在微波段时，将之称为电磁带隙结构（EBG），频率处于禁带范围内的电磁波无法在其中传播[4]。应用电磁带隙结构做天线的基板，将天线的辐射或接收頻率设计在禁带区间内，可以有效地消除表面波效应，抑制基底能量损耗，提高天线的增益和发射效率[5]。近年来，众多学者对光子晶体带隙材料在天线中的应用进行了深入研究。王灵敏将微带天线加载到EBG上，使得微带天线增益增加了1.56 dB，背瓣辐射最大可以降低10 dB，改善了天线方向性，增强了微带天线的整体性能[6]。Glenn S. Smith通过搭建一个木堆结构三维光子晶体作为天线基板[7]，利用单极子天线进行测试，通过对比发现，加入光子晶体天线基板后，天线增益大大提高，背瓣能量几乎完全被反射。但具有更好禁带调控性能的三维金刚石结构由于结构复杂、制造困难等原因，将其作为基板的相关研究较少。因此，该文拟通过实验制备金刚石结构EBG基板，研究带不同周期凹槽的电磁带隙结构基板对偶极子天线辐射性能影响，为EBG基板天线的工程应用提供借鉴。

1 3D打印原理与概述

3D打印又称增材制造，是一种快速成型技术[8]，利用CAD软件设计模型、CAE软件对模型进行分层处理，利用打印设备将材料不断叠加成型目标实体。按照原理分为熔融沉积（FDM）、光固化（SLA）、选择性激光烧结（SLS）、数字光处理成型（DLP）、分层实体制造（LOM）等[9]。

FDM通过挤出设备，将熔融的材料挤出成型一个切面，然后在空间上层层叠加粘结，得到所需实体。其操作简单、技术成熟、成本低，但是打印过程需要建立支撑、产品具有台阶效应、精度低、易翘曲，多用于制造概念模型和功能模型。

SLA利用光聚合原理，激光器按照切面形状扫描光敏树脂，光束所扫过的树脂迅速固化，当完成一个面的扫描后，工作台下降一个层厚，重复上述过程层层堆叠实体。可打印复杂结构、产品表面质量出色、精度高，但需要支撑结构和避光处理，零件较脆、易断裂、设备成本较高。基于上述问题，在SLA的基础上发展出了DLP，通过数字投影仪直接曝光整层树脂得到固化效果，这样采用整层固化的打印方式，速度更快、效率更高。

SLS是将预热粉料铺在基面上，激光束根据切面形状按照一定轨迹移动，轨迹上粉料升温至熔点并粘结在一起，完成一层切面烧结后，工作台下降一个层厚，重复上述过程，完成打印。优点在于成型快、不需要支撑、可成型结构复杂零件，但是表面精度低、力学性能差。

考虑各种打印方法的优缺点，EBG结构复杂，成型精度要求高，所以采用立体光固化（SLA）打印其反向模具，利用凝胶注模技术、真空冷冻干燥工艺和高温烧结进行后处理，最终成型电磁带隙结构基板。

2 实验与测试

2.1实验过程

2.1.1模具成型

使用Pro/E软件设计金刚石结构EBG基板的CAD模型和相应的反向模具，其晶格常数为15 mm，占空比0.28，全尺寸7×7×5周期，分为五组，其中四组引入凹槽，凹槽分别被1、2、3、4个周期所包围，另一组不带凹槽。使用光固化成型机（XT-SLA350 ，上海玺太三维）由光敏树脂（14120型）制造模具。

2.1.2凝胶注模

首先将AM（丙烯酰胺）和MBAM（亚甲基双丙烯酰胺）溶解在去离子水中得到预混溶液（质量比：去离子水79.2%，AM 20%，MBAM 0.8%）。其次，将预混溶液倒入研磨容器中，然后按照陶瓷浆料的配方逐渐加入陶瓷粉末（氧化铝，中径5 μm和25 μm，比例1：1），加入分散剂（聚丙烯酸钠）制备陶瓷浆料，得到固相含量55vol%的氧化铝浆料。将混合物在球磨机中研磨4 h，根据凝胶时间要求加入一定量的催化剂（四甲基乙二胺）和引发剂（过硫酸铵），最后将浆料浇注到树脂模具中并辅以轻微振动可制得EBG基板素坯。

2.1.3干燥与烧结

首先采用真空冷冻干燥法对素坯干燥，素坯放置在真空冷冻干燥机（VFD-2000，北京博医康）的腔室中冷冻至-35 ℃，同时抽真空至30 Pa，逐渐升高腔体的温度至室温（25 ℃），完成素坯干燥。最后将干燥素坯放入烧结炉（KSX2，湘潭湘仪）中，逐步升温至1550 ℃，完成最终烧结得到EBG基板。

2.2测试

在该实验中，主要包括对偶极子天线辐射点、EBG基板微波传输特性和天线能量方向图的测试。直接利用网络分析仪（HP8720ES，惠普）的一端直接测试天线的反射传输性能，即可得到天线的辐射点。将基板放在传输线的一段路径中，通过两个适配器与一台网络分析仪相连，用传输反射法测试基板的传输特性。天线的能量方向图采用如图1所示的系统进行测试，通过网络分析仪连接喇叭天线发射电磁波信号，被测天线的一端接收信号并连接网络分析仪，从而得到天线各个方向的能量。

3 结果与讨论

如图2所示，为EBG基板的反向模具。图3为所制得的不同结构的EBG基板，图3a～d分别为凹槽周围带1、2、3、4个周期，图3e为完整结构。从图可以看出，反向模具和EBG基板的表面精度都相当不错，采用上述方法能够完成对金刚石结构EBG基板的快速成型。

图4为EBG基板的微波传输特性图，如图4所示，禁带在12.2～14.6 GHz之间，处于微波段，禁带区间损耗都在-30 dB以下。图5为实验所用偶极子天线的辐射点的测试，该天线的辐射点非常接近13 GHz，在EBG基板的禁带内，天線的辐射点与基板的禁带相匹配。

将不同结构的EBG基板与所制得的偶极子天线组装起来（将偶极子天线置入凹槽中），测得完整结构和带凹槽EBG基板天线的能量方向图，并将它们的性能被综合到表1中。

由表1可知，对比五类EBG基板天线的参数，发现它们的辐射点都是13 GHz，禁带区间也相同，说明引入凹槽并不会对EBG基板的禁带产生影响。但它们最大的增益方向各不相同，所有天线的增益方向和主瓣方向都不相同，这是因为电磁带隙结构在与偶极子天线的耦合中，凹槽的引入和凹槽周围的周期数都会影响到天线的方向性。同时，凹槽的引入使得天线的增益发生变化，凹槽周期数多少影响了天线的增益，相比较完整结构EBG基板，当凹槽周围被3个周期包围时，天线的增益提高了1 dB，能量辐射提高1.25倍，实验证明，金刚石结三维电磁带隙结构作为偶极子天线的反射基板，在其中引入合适的凹槽作为天线罩能够大大提高EBG基板天线的增益。

能够产生这种效果的主要原因是在EBG基板中引入凹槽后，偶极子天线放入其中，四面都被EBG所包围，当电磁波辐射或接收时，一方面偶极子天线置于凹槽中能全方向反射电磁波到天线上，完美结构时一般在-60°～60°反射效果好，其增益效果也不一样，同时也和凹槽周围周期数有关;另一方面，天线被罩住，大大减少了外界电磁波对偶极子辐射或接收能力的干扰，因此凹槽的引入在不影响EBG基板禁带范围的情况下，能够提高天线的增益。

4 结语

该文通过光固化打印反向模具，结合凝胶注模、冷冻干燥和高温烧结得到不同类型的金刚石结构三维电磁带隙结构基板，将其与偶极子天线结合，通过传输与反射法测试其电磁波传输特性，得出以下结论：以三维电磁带隙结构作为天线基板，通过在其中引入凹槽，将偶极子天线置入凹槽中，当凹槽周围周期数为3个周期时，EBG基板天线的增益提高了1 dB，能量提高了1.25倍。实验结果说明：通过对EBG基板的宏观结构作恰当的改变，能够进一步提高天线的增益，提高天线辐射或接收的能量。

参 考 文 献

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