基于PBG结构的宽带圆极化天线的新设计

　　0 引言

　　近年来，光子带隙(PBG)结构已经被应用到了很多领域。尤其在微波、毫米波中，PBG结构以用来改善天线性能，增加功率放大器的效率和输出功率，宽带吸收器以及频率选择表面等。PBG结构是具有带阻特性的周期性结构，可以采用金属、介质、铁磁或铁电物质植入基质材料，或者直接由各种材料周期性排列而成。目前国内外所提出的PBG结构多种多样，比如在介质基板穿孔，在介质基板中填充其他材料或金属，在微带电路表面环绕冗余部分形成PBG结构，可构成频率选择表面，可作为电路或天线的覆盖层；作为微带天线衬底层可以提高天线增益；作为宽带滤波器或者功率放大器的衬底材料；还可以隔离电路中不同元件，降低耦合等等。目前将PBG结构应用于微带天线以抑制表面波传播，提高辐射效率，增高天线增益的介绍很多，应用于微带圆极化天线则可以明显改进天线的圆极化特性。针对圆极化微带天线的宽带技术已经有了很多的研究，主要集中在单片多馈、多片多馈和多元组合形成圆极化等方面上。

　　本文在提出一种宽带圆极化天线的基础上，在介质基板中周期性地打孔以形成PBG结构，极大地改进了天线的圆极化特性。当天线工作于12.5 GHz时，加载PBG结构的圆极化天线单元阻抗带宽达到20.6％(VSWR<2)，3 dB轴比带宽达到27.4％。这种结构的圆极化微带天线，不仅减小了天线尺寸，而且有效拓展了天线带宽，在卫星通信领域应用前景广阔。

　　1 PBG结构分析

　　1.1 结构

　　PBG结构可以在一维、二维甚至三维上具有周期性，一般地PBG结构的几何特征可以用单元本身和单元的排列来描述。图1是介质基板中周期性打εr1=9.6，h1=0.8 mm。采用FDTD法进行数值计算，FDTD具有宽带孔的二维PBG结构，基板介电常数计算的优势，由脉冲源激励，一次计算可以得到整个感兴趣频带内的结果。在计算过程中采用PML吸收边界条件，可以很好地模拟无限大空间的散射，将PBG结构包围在计算空间内，采用整体场分裂的方法，即在非PML区域内也将场分量分裂，这样在编程时可以很方便地处理PML区和内部计算区的结合，但是要以降低计算效率为代价，在经过计算得到散射场的数据后，利用傅里叶变换把时域场变换到频域场，从而可以得到所计算的PBG结构的频率特征。网格在介质板厚度和介电常数保持一定的情况下，空气柱的直径和栅格边长直接决定了它的阻带特性。

　　1.2 阻带特性

　　如图1所示，栅格周期d、圆孔半径r、基板介电常数和基板厚度是决定PBG结构阻带频率的关键因素，但考虑到在随后天线的设计中，单元尺寸以及加工要求的限制，这里取固定值基板介电常数9.6，厚度0.8 mm，周期数4，因此仅对栅格周期d和圆孔半径r这2个变量进行分析。

　　不同变量值对应PBG结构的阻带特性，栅格周期越大，阻带频率越低；孔半径越大，阻带频率越大，但r／d的大小决定了阻带深度。当r／d接近于0.4时，阻带特性最好。因此3个参数需要综合考虑以获得最佳的阻带特性。

　　2 宽带圆极化天线分析

　　2.1 未加PBG结构的圆极化天线

　　图2和图3给出了未加PBG结构的一种宽带圆极化天线，采用三层介质基板，上下两辐射元均采用方形倒角贴片，通过调整空气层厚度，上下两贴片的相对尺寸以及倒角大小可以获得较好的阻抗匹配特性和圆极化特性。具体调整方法由于篇幅限制这里不作详细说明。选择天线参数：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；微带线特性阻抗50 Ω，上下倒角贴片的中心重合。

　　天线的阻抗匹配特性和圆极化特性如图4和图5所示。由计算结果可知，这种结构的圆极化天线由于采用多层结构，拓展了阻抗匹配带宽，同时也明显改善了轴比特性。天线工作于12.5 GHz时，阻抗匹配带宽达到24.2％(VSWR<2)，3 dB轴比带宽达到8.8％，较普通圆极化天线，带宽均有成倍增加。

　　2.2 采用PBG结构的圆极化天线

　　如图6示，在上述宽带圆极化天线的基础上，通过在底层高介电常数基板上周期性挖孔，可以有效改善天线的圆极化特性。如图1所示，选择栅格周期d=6 mm，圆孔半径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；微带线特性阻抗50 Ω，上下倒角贴片的中心重合。这样使天线的工作频率正好落于PBG结构的阻带范围内。

 　　在微带天线中采用高介电常数的基板可以减小天线尺寸，但由于基板内存在表面波，尤其是当介质板厚度和工作波长可相比拟时，表面波的影响就不能被忽略。这样在采用厚基板的时候尽管可以拓宽频带，但由于表面波损耗的增大，导致天线辐射效率下降。所以在选择介质基板厚度时，要尽可能地避免激励高次模。TM和TE模表面波的截止频率分别为：

　　当εr1=9.6，h1=0.8 mm时，TE10模的截止频率为31 GHz，这远离工作频率，同时由于TM模的截止频率没有下限，因此在基板中只有TM模表面波传播。为了更好地抑制表面波传播，引入PBG结构，使得天线的工作频带落于PBG结构的阻带范围内，这样有效抑制了表面波的传播。同时，由于PBG结构对于后向场分量的抑制，改善了圆极化天线的圆极化度，极大地改善了天线的轴比特性。

　　图4和图5给出了未加PBG结构和加了PBG结构的2种圆极化天线的输入驻波比曲线和圆极化轴比特性曲线。从图中可以看出，后者的3 dB轴比带宽拓展了近3倍，达到了32.2％。而阻抗匹配带宽变化不大，达到了25.2％(VSWR<2)。同时由于加工和测试环境的影响，实测阻抗带宽和3 dB轴比带宽相对计算结果而言，都有了一定程度的缩减，但也分别达到了20.6％(VSWR<2)和27.4％，这是普通圆极化天线的5～10倍。图7和图8给出了E面和H面方向图的计算和实测结果。

　　3 结束语

　　PBG结构应用于圆极化微带天线上，不仅可以抑制表面波的传播，提高辐射效率，而且可以改善天线的圆极化度，有效拓宽阻抗带宽和轴比带宽，这从计算和实测结果可以验证这一点。但是PBG结构的应用需要考虑几点：一是PBG结构主要应用在高介电常数基板上，减小了贴片尺寸，抑制了表面波传播，但是由于过多增加周期数和改善阻带特性的需要，势必增大了整个介质基板的尺寸，也就是增大了整个天线的尺寸，天线的方向性系数随之增大，这样应用PBG结构提高增益的的优势并不明显。因此选择合适的周期数和栅格周期至关重要。二是PBG结构的分析目前还主要集中在实验方面，理论分析方面还不成熟，因此对于高频天线上的应用还要进一步完善和探析。