基于PBG結(jié)構(gòu)的寬帶圓極化天線的新設(shè)計(jì)

　　0 引言

　　近年來，光子帶隙(PBG)結(jié)構(gòu)已經(jīng)被應(yīng)用到了很多領(lǐng)域。尤其在微波、毫米波中，PBG結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)是具有帶阻特性的周期性結(jié)構(gòu)，可以采用金屬、介質(zhì)、鐵磁或鐵電物質(zhì)植入基質(zhì)材料，或者直接由各種材料周期性排列而成。目前國內(nèi)外所提出的PBG結(jié)構(gòu)多種多樣，比如在介質(zhì)基板穿孔，在介質(zhì)基板中填充其他材料或金屬，在微帶電路表面環(huán)繞冗余部分形成PBG結(jié)構(gòu)，可構(gòu)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(jié)構(gòu)應(yīng)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(yīng)用于微帶圓極化天線則可以明顯改進(jìn)天線的圓極化特性。針對圓極化微帶天線的寬帶技術(shù)已經(jīng)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(chǔ)上，在介質(zhì)基板中周期性地打孔以形成PBG結(jié)構(gòu)，極大地改進(jìn)了天線的圓極化特性。當(dāng)天線工作于12.5 GHz時(shí)，加載PBG結(jié)構(gòu)的圓極化天線單元阻抗帶寬達(dá)到20.6％(VSWR<2)，3 dB軸比帶寬達(dá)到27.4％。這種結(jié)構(gòu)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(wèi)星通信領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。

　　1 PBG結(jié)構(gòu)分析

　　1.1 結(jié)構(gòu)

　　PBG結(jié)構(gòu)可以在一維、二維甚至三維上具有周期性，一般地PBG結(jié)構(gòu)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(zhì)基板中周期性打εr1=9.6，h1=0.8 mm。采用FDTD法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，FDTD具有寬帶孔的二維PBG結(jié)構(gòu)，基板介電常數(shù)計(jì)算的優(yōu)勢，由脈沖源激勵(lì)，一次計(jì)算可以得到整個(gè)感興趣頻帶內(nèi)的結(jié)果。在計(jì)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(jié)構(gòu)包圍在計(jì)算空間內(nèi)，采用整體場分裂的方法，即在非PML區(qū)域內(nèi)也將場分量分裂，這樣在編程時(shí)可以很方便地處理PML區(qū)和內(nèi)部計(jì)算區(qū)的結(jié)合，但是要以降低計(jì)算效率為代價(jià)，在經(jīng)過計(jì)算得到散射場的數(shù)據(jù)后，利用傅里葉變換把時(shí)域場變換到頻域場，從而可以得到所計(jì)算的PBG結(jié)構(gòu)的頻率特征。網(wǎng)格在介質(zhì)板厚度和介電常數(shù)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(shù)和基板厚度是決定PBG結(jié)構(gòu)阻帶頻率的關(guān)鍵因素，但考慮到在隨后天線的設(shè)計(jì)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(shù)9.6，厚度0.8 mm，周期數(shù)4，因此僅對柵格周期d和圓孔半徑r這2個(gè)變量進(jìn)行分析。

　　不同變量值對應(yīng)PBG結(jié)構(gòu)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(dāng)r／d接近于0.4時(shí)，阻帶特性最好。因此3個(gè)參數(shù)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(jié)構(gòu)的圓極化天線

　　圖2和圖3給出了未加PBG結(jié)構(gòu)的一種寬帶圓極化天線，采用三層介質(zhì)基板，上下兩輻射元均采用方形倒角貼片，通過調(diào)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(diào)整方法由于篇幅限制這里不作詳細(xì)說明。選擇天線參數(shù)：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(jì)算結(jié)果可知，這種結(jié)構(gòu)的圓極化天線由于采用多層結(jié)構(gòu)，拓展了阻抗匹配帶寬，同時(shí)也明顯改善了軸比特性。天線工作于12.5 GHz時(shí)，阻抗匹配帶寬達(dá)到24.2％(VSWR<2)，3 dB軸比帶寬達(dá)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(jié)構(gòu)的圓極化天線

　　如圖6示，在上述寬帶圓極化天線的基礎(chǔ)上，通過在底層高介電常數(shù)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(jié)構(gòu)的阻帶范圍內(nèi)。

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

　　當(dāng)εr1=9.6，h1=0.8 mm時(shí)，TE10模的截止頻率為31 GHz，這遠(yuǎn)離工作頻率，同時(shí)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(jié)構(gòu)，使得天線的工作頻帶落于PBG結(jié)構(gòu)的阻帶范圍內(nèi)，這樣有效抑制了表面波的傳播。同時(shí)，由于PBG結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和加了PBG結(jié)構(gòu)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(dá)到了32.2％。而阻抗匹配帶寬變化不大，達(dá)到了25.2％(VSWR<2)。同時(shí)由于加工和測試環(huán)境的影響，實(shí)測阻抗帶寬和3 dB軸比帶寬相對計(jì)算結(jié)果而言，都有了一定程度的縮減，但也分別達(dá)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(jì)算和實(shí)測結(jié)果。

　　3 結(jié)束語

　　PBG結(jié)構(gòu)應(yīng)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(jì)算和實(shí)測結(jié)果可以驗(yàn)證這一點(diǎn)。但是PBG結(jié)構(gòu)的應(yīng)用需要考慮幾點(diǎn)：一是PBG結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在高介電常數(shù)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(shù)和改善阻帶特性的需要，勢必增大了整個(gè)介質(zhì)基板的尺寸，也就是增大了整個(gè)天線的尺寸，天線的方向性系數(shù)隨之增大，這樣應(yīng)用PBG結(jié)構(gòu)提高增益的的優(yōu)勢并不明顯。因此選擇合適的周期數(shù)和柵格周期至關(guān)重要。二是PBG結(jié)構(gòu)的分析目前還主要集中在實(shí)驗(yàn)方面，理論分析方面還不成熟，因此對于高頻天線上的應(yīng)用還要進(jìn)一步完善和探析。