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(lái)，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(lái)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(guó)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(duì)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(lái)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(shì)，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(guò)程中采用PML吸收邊界條件，可以很好地模擬無(wú)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(chǎng)分裂的方法，即在非PML區(qū)域內(nèi)也將場(chǎng)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(guò)計(jì)算得到散射場(chǎng)的數(shù)據(jù)后，利用傅里葉變換把時(shí)域場(chǎng)變換到頻域場(chǎng)，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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(guò)調(diào)整空氣層厚度，上下兩貼片的相對(duì)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(shuō)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(guò)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(zhǎng)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(méi)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(duì)于后向場(chǎng)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(cè)試環(huán)境的影響，實(shí)測(cè)阻抗帶寬和3 dB軸比帶寬相對(duì)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(cè)結(jié)果。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　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(cè)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(guò)多增加周期數(shù)和改善阻帶特性的需要，勢(shì)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(shì)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(duì)于高頻天線上的應(yīng)用還要進(jìn)一步完善和探析。