基于EBG結構的方向圖可重構天線設計

波束可控天線在衛星、移動電視、雷達系統等領域中應用廣泛。文獻都展開了對天線的輻射方向圖控制的研究。文獻中，一種矩形環狀的天線被提出，這種天線上包含了4個饋電點，通過改變饋電點的位置得到四個指向不同方向的波束。一種星型天線可以形成波束偏移的方向圖和圓環狀方向圖。文獻中介紹了一種環形縫隙天線，將這種天線與地板短路，達到波束偏移的目的。可重構天線通過改變自身結構，重構天線的諧振頻率、輻射方向圖、極化等特性。可重構天線的概念解決了系統的造價和重量等現實的問題。文獻[4]中提出一種方向圖可重構天線，通過開關的控制使得波束指向四個不同的方向。PIN二極管開關經常被用于改變天線的物理結構或者尺寸。

近些年，電磁帶隙(EBG)結構在天線領域中有著廣泛的應用 。 EBG結構用于降低天線單元間的互耦。,EBG結構在天線的設計中用于獲得更寬的帶寬和高效率。同樣EBG結構可以用于控制天線的輻射方向圖。

本文提出了一種基于EBG結構的新型U型縫隙微帶天線。EBG結構代替了部分金屬接地板，由于EBG結構的引入，天線貼片上的電流得到了有效控制。通過測試，天線的工作頻率為5.5GHz，輻射的最大增益出現在22°為7.75dBi。通過參數分析發現，天線波束的偏移角度與EBG結構有關。根據這一特點，提出了天線的方向圖可重構，提出了設計方案，并通過仿真驗證其可行性。

2天線單元的設計和結果

新型的U型縫隙微帶天線的示意圖如圖1所示。微帶天線的部分金屬接地板被EBG結構所替代。U型縫隙微帶天線的尺寸如圖2所示。介質基板為ArlonAD270，相對介電常數εr1=2.7，介質厚度h=3.5mm。如圖3所示，EBG結構在[11]中提出。EBG結構的詳細尺寸如下：W=0.12λ0,g=0.02λ0,h=0.04λ0,r=0.005λ0,εr2=2.2,λ0=50mm。

(a)三維視圖

(b)側視圖

圖1U型縫隙微帶天線結構示意圖

U型縫隙微帶天線具有調節變量多的優點，可以通過優化達到阻抗匹配。圖4為天線反射系數的仿真及測試結果。與仿真相比測試結果帶寬更窄，中心頻率5.5GHz，帶寬從4.99GHz-5.63GHz。圖5為微帶天線單元在頻率5.5GHz仿真和測試的輻射方向圖對比，仿真時最大的輻射方向為20°，增益為7.6dBi；測試時角度偏移方向為22°，增益為7.75dBi。波束產生偏移原因是EBG結構改變了微帶天線貼片上的電流分布。

天線波束的偏移角度可以通過EBG結構排數來控制?；谝陨涎芯拷Y果，增加或者減少EBG排數能夠改變天線的最大輻射方向。不同EBG結構的仿真和測試輻射方向圖如圖6和圖7所示。表1將EBG的分布與角度、增益的測試數據列出，其中括號內的數值為仿真結果。

圖2U型縫隙貼片俯視圖

圖3EBG結構示意圖

圖4S11仿真與測試比較

圖5天線單元輻射方向圖

圖6不同EBG分布仿真輻射方向圖

圖7不同EBG分布測試輻射方向圖

表1EBG分布與增益角度表

3 方向圖可重構天線的研究

EBG貼片與附近金屬地的接通與斷開能夠改變輻射方向圖，即設計出一種方向圖可重構微帶天線單元。本文采用兩組PIN二極管開關控制EBG貼片與金屬地之間的通斷，開關1和開關2的位置如圖8所示。為了準確的模擬實際開關，在仿真中導通狀態下的PIN二極管等效為3Ω的電阻，截至狀態的二極管可以等效為0.025pF的電容。兩組開關的接通和斷開可以得到四種不同的輻射方向圖，如圖9所示。當兩組開關都導通時等效于天線兩旁EBG皆為金屬地，方向圖不發生偏移；開關都斷開時，相當于4排EBG同時工作，最大增益出現在31°。當開關1導通，開關2斷開時波束的偏移角度為23°；與之相反，當開關2導通，開關1斷開時，即只有3排EBG在工作時偏移角度為36°。

圖8PIN二極管位置示意圖

圖9開關分別通斷的四種情況下天線輻射方向圖

4結論

在本文提出了一種新型的U型縫隙微帶天線。使用了EBG結構替代了部分微帶天線的地板可實現最大的輻射方向的控制。將PIN二極管作為開關控制EBG貼片與金屬地之間的接通和斷開，達到控制天線波束指向的目的，由此可實現方向圖可重構天線單元。