基于PBG結構的寬帶圓極化天線的新設計

　　0 引言

　　近年來，光子帶隙(PBG)結構已經被應用到了很多領域。尤其在微波、毫米波中，PBG結構以用來改善天線性能，增加功率放大器的效率和輸出功率，寬帶吸收器以及頻率選擇表面等。PBG結構是具有帶阻特性的周期性結構，可以采用金屬、介質、鐵磁或鐵電物質植入基質材料，或者直接由各種材料周期性排列而成。目前國內外所提出的PBG結構多種多樣，比如在介質基板穿孔，在介質基板中填充其他材料或金屬，在微帶電路表面環繞冗余部分形成PBG結構，可構成頻率選擇表面，可作為電路或天線的覆蓋層；作為微帶天線襯底層可以提高天線增益；作為寬帶濾波器或者功率放大器的襯底材料；還可以隔離電路中不同元件，降低耦合等等。目前將PBG結構應用于微帶天線以抑制表面波傳播，提高輻射效率，增高天線增益的介紹很多，應用于微帶圓極化天線則可以明顯改進天線的圓極化特性。針對圓極化微帶天線的寬帶技術已經有了很多的研究，主要集中在單片多饋、多片多饋和多元組合形成圓極化等方面上。

　　本文在提出一種寬帶圓極化天線的基礎上，在介質基板中周期性地打孔以形成PBG結構，極大地改進了天線的圓極化特性。當天線工作于12.5 GHz時，加載PBG結構的圓極化天線單元阻抗帶寬達到20.6％(VSWR<2)，3 dB軸比帶寬達到27.4％。這種結構的圓極化微帶天線，不僅減小了天線尺寸，而且有效拓展了天線帶寬，在衛星通信領域應用前景廣闊。

　　1 PBG結構分析

　　1.1 結構

　　PBG結構可以在一維、二維甚至三維上具有周期性，一般地PBG結構的幾何特征可以用單元本身和單元的排列來描述。圖1是介質基板中周期性打εr1=9.6，h1=0.8 mm。采用FDTD法進行數值計算，FDTD具有寬帶孔的二維PBG結構，基板介電常數計算的優勢，由脈沖源激勵，一次計算可以得到整個感興趣頻帶內的結果。在計算過程中采用PML吸收邊界條件，可以很好地模擬無限大空間的散射，將PBG結構包圍在計算空間內，采用整體場分裂的方法，即在非PML區域內也將場分量分裂，這樣在編程時可以很方便地處理PML區和內部計算區的結合，但是要以降低計算效率為代價，在經過計算得到散射場的數據后，利用傅里葉變換把時域場變換到頻域場，從而可以得到所計算的PBG結構的頻率特征。網格在介質板厚度和介電常數保持一定的情況下，空氣柱的直徑和柵格邊長直接決定了它的阻帶特性。

　　1.2 阻帶特性

　　如圖1所示，柵格周期d、圓孔半徑r、基板介電常數和基板厚度是決定PBG結構阻帶頻率的關鍵因素，但考慮到在隨后天線的設計中，單元尺寸以及加工要求的限制，這里取固定值基板介電常數9.6，厚度0.8 mm，周期數4，因此僅對柵格周期d和圓孔半徑r這2個變量進行分析。

　　不同變量值對應PBG結構的阻帶特性，柵格周期越大，阻帶頻率越低；孔半徑越大，阻帶頻率越大，但r／d的大小決定了阻帶深度。當r／d接近于0.4時，阻帶特性最好。因此3個參數需要綜合考慮以獲得最佳的阻帶特性。

　　2 寬帶圓極化天線分析

　　2.1 未加PBG結構的圓極化天線

　　圖2和圖3給出了未加PBG結構的一種寬帶圓極化天線，采用三層介質基板，上下兩輻射元均采用方形倒角貼片，通過調整空氣層厚度，上下兩貼片的相對尺寸以及倒角大小可以獲得較好的阻抗匹配特性和圓極化特性。具體調整方法由于篇幅限制這里不作詳細說明。選擇天線參數：εr1=9.6，h1=0.8 mm；εr2=1.006，h2=1.0 mm；εr3=4.1，h3=1.5 mm；P1=2.56 mm，P2=4.76 mm；倒角w1=1.2 mm，w2=0.8 mm；微帶線特性阻抗50 Ω，上下倒角貼片的中心重合。

　　天線的阻抗匹配特性和圓極化特性如圖4和圖5所示。由計算結果可知，這種結構的圓極化天線由于采用多層結構，拓展了阻抗匹配帶寬，同時也明顯改善了軸比特性。天線工作于12.5 GHz時，阻抗匹配帶寬達到24.2％(VSWR<2)，3 dB軸比帶寬達到8.8％，較普通圓極化天線，帶寬均有成倍增加。

　　2.2 采用PBG結構的圓極化天線

　　如圖6示，在上述寬帶圓極化天線的基礎上，通過在底層高介電常數基板上周期性挖孔，可以有效改善天線的圓極化特性。如圖1所示，選擇柵格周期d=6 mm，圓孔半徑r=2.0 mm，εr1=9.6，h1=0.8 mm；εr2=1.006，h2=1.0 mm；εr3=4.1，h3=1.5 mm；P1=2.25 mm，P2=4.38 mm；倒角w1=1.0 mm，w2=0.9 mm；微帶線特性阻抗50 Ω，上下倒角貼片的中心重合。這樣使天線的工作頻率正好落于PBG結構的阻帶范圍內。

 　　在微帶天線中采用高介電常數的基板可以減小天線尺寸，但由于基板內存在表面波，尤其是當介質板厚度和工作波長可相比擬時，表面波的影響就不能被忽略。這樣在采用厚基板的時候盡管可以拓寬頻帶，但由于表面波損耗的增大，導致天線輻射效率下降。所以在選擇介質基板厚度時，要盡可能地避免激勵高次模。TM和TE模表面波的截止頻率分別為：

　　當εr1=9.6，h1=0.8 mm時，TE10模的截止頻率為31 GHz，這遠離工作頻率，同時由于TM模的截止頻率沒有下限，因此在基板中只有TM模表面波傳播。為了更好地抑制表面波傳播，引入PBG結構，使得天線的工作頻帶落于PBG結構的阻帶范圍內，這樣有效抑制了表面波的傳播。同時，由于PBG結構對于后向場分量的抑制，改善了圓極化天線的圓極化度，極大地改善了天線的軸比特性。

　　圖4和圖5給出了未加PBG結構和加了PBG結構的2種圓極化天線的輸入駐波比曲線和圓極化軸比特性曲線。從圖中可以看出，后者的3 dB軸比帶寬拓展了近3倍，達到了32.2％。而阻抗匹配帶寬變化不大，達到了25.2％(VSWR<2)。同時由于加工和測試環境的影響，實測阻抗帶寬和3 dB軸比帶寬相對計算結果而言，都有了一定程度的縮減，但也分別達到了20.6％(VSWR<2)和27.4％，這是普通圓極化天線的5～10倍。圖7和圖8給出了E面和H面方向圖的計算和實測結果。

　　3 結束語

　　PBG結構應用于圓極化微帶天線上，不僅可以抑制表面波的傳播，提高輻射效率，而且可以改善天線的圓極化度，有效拓寬阻抗帶寬和軸比帶寬，這從計算和實測結果可以驗證這一點。但是PBG結構的應用需要考慮幾點：一是PBG結構主要應用在高介電常數基板上，減小了貼片尺寸，抑制了表面波傳播，但是由于過多增加周期數和改善阻帶特性的需要，勢必增大了整個介質基板的尺寸，也就是增大了整個天線的尺寸，天線的方向性系數隨之增大，這樣應用PBG結構提高增益的的優勢并不明顯。因此選擇合適的周期數和柵格周期至關重要。二是PBG結構的分析目前還主要集中在實驗方面，理論分析方面還不成熟，因此對于高頻天線上的應用還要進一步完善和探析。