由于電磁帶隙（electromagnetic band gap，簡稱 EBG）能夠“調諧出”特定頻率，所以許多應用中出現了它的身影。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）。這些結構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。

通過設計電磁帶隙結構來優化頻率

電磁帶隙結構是一種能夠在某些頻帶上傳遞或阻止電磁波的周期性結構，這項功能具有廣泛應用。常見實例包括增加高頻設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的電磁兼容性。此外，這些結構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的頻率選擇表面。

針對上述及其他應用，設計電磁帶隙結構的常規流程包括以下步驟：

1. 在晶胞層面設計 EBG

2. 假設晶胞式樣無限重復

3. 通過分析確定帶隙

4. 優化設計，在無限空間內得到帶隙

5. 將電磁帶隙結構用于有限空間

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構非常重要……

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構的解耦效應。首先，我們應模擬沒有帶隙的天線，為基于帶隙結構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構之間的隔離效果。

EBG 模型的幾何結構。

運行了只含天線的模型之后，下一步便是添加 EBG。此結構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運行模型。觀察這個 S 參數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 仿真結果

首先，我們來看兩個天線之間的耦合頻率響應結果。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構。

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型以及 EBG 元件的數量——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）電磁帶隙結構。

借助 RF 仿真，工程師可以深入了解電磁帶隙結構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據，針對特定應用對帶隙結構的設計進行優化。

來源：COMSOL