PBG结构的宽带圆极化天线的新设计

PBG吉构的宽带圆极化天线的新设计光子带隙(PBG)结构已经被应用到了很多领域。尤其在微波、毫米波中，PBG吉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吉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吉构多种多样，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吉构，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吉构的圆极化天线单元阻抗带宽达到 20.6 %(VSWR2) 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吉构可以在一维、二维甚至三维上具有周期性，一般地PBG吉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& r1=9.6 , h1=0.8 mmo采用FDTDfe进行数值计算，FDTDR有宽带孔的二维PBG吉构，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吉 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吉构的阻带特性，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吉构的圆极化天线图2和图3给出了未加PBG吉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： er1=9.6 , h1=0.8 mm； r2=1.006 , h2=1.0 mm； e r3=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 Q ,上下倒品贴片的中心重 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 %(VSWR2) 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吉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 mrm 圆孔半径 r=2.0 mm, r1=9.6 , h1=0.8 mm； r2=1.006 , h2=1.0 mm； r3=4.1 , h3=1.5 mm； P1=2.25 mm, P2=4.38 mm；傕j角 w1=1.0 mm w2=0.9 mm微带线特性阻抗50 Q ,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PB的构的阻带范围内。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 r1=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吉构，使得天线的工作频带落于 PBGg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吉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PBGg构和加了 PBG吉构的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%(VSWR2) 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%(VSWR2 27.4%,这是普通圆极化天线的510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PBGg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 PB的构的应用需要考虑几点：一是 PB蜀 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吉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吉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。