新型光子帶隙寬帶雙極化微帶天線(xiàn)設(shè)計(jì)

袁宏偉，汪春霆，杜 彪

(中國(guó)電子科技集團(tuán)第54 研究所，石家莊 050000)

頻譜資源日益緊張的現(xiàn)代衛(wèi)星通信領(lǐng)域迫切需要天線(xiàn)具有雙極化功能，因?yàn)殡p極化可使它的通信容量增加一倍。微帶天線(xiàn)以重量輕、低剖面、易于制造，且易與飛行器表面共形的優(yōu)點(diǎn)而被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用［1－5］，利用它實(shí)現(xiàn)雙極化天線(xiàn)一直是人們熱衷的課題。但微帶天線(xiàn)又因其頻帶窄，效率低，增益低的缺點(diǎn)在應(yīng)用上受到種種限制［6］。目前對(duì)雙極化微帶天線(xiàn)的設(shè)計(jì)主要圍繞寬帶、多頻段、小型化、提高極化端口隔離度和降低交叉極化電平這幾個(gè)方面。

使用縫隙耦合饋電的方法可以拓展微帶天線(xiàn)帶寬［7－8］，但會(huì)引起很大的背向輻射。F.Rostan［9］等將兩個(gè)矩形縫隙排成L 形，這種結(jié)構(gòu)單元的兩極化端口隔離度為20 dB，交叉極化為－15 dB～18 dB。C.H.Tsao［10］等將兩個(gè)矩形縫隙相互垂直交叉形成十字型，其隔離度為22 dB 左右，交叉極化電平可達(dá)－25 dB 以下。F.F.Dubrovka［11］等將兩個(gè)矩形縫隙排成T 形，減少兩個(gè)縫隙的耦合，兩極化端口隔離度為40 dB 左右，交叉極化電平可達(dá)－22 dB。以上幾種方式為了降低后瓣電平并提高天線(xiàn)的增益，均在離開(kāi)縫地板四分之一波長(zhǎng)處加一塊金屬反射板，這樣會(huì)相應(yīng)地增大了天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)。加上地板后，其上感應(yīng)出表面電流，傳播表面波并參與輻射，同時(shí)，由于地板有限大，表面波會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的多路輻射效應(yīng)，在一定程度上降低了極化純度，惡化了極化隔離度和交叉極化。

本文在F.F.Dubrovka 研究的基礎(chǔ)上，從同時(shí)改善帶寬、增益、降低剖面并提高天線(xiàn)的極化純度出發(fā)，提出一種新型基于光子帶隙(PBG)［12－15］高阻表面的寬帶雙極化微帶天線(xiàn)。

1 基于光子帶隙寬帶雙極化微帶單元

該天線(xiàn)單元由兩部分構(gòu)成:一個(gè)縫隙耦合饋電的雙極化微帶天線(xiàn)和置于饋電線(xiàn)下方的光子帶隙高阻表面板，如圖1所示。

圖1 加PBG 高阻表面地板的雙極化微帶天線(xiàn)單元建模

1.1 縫隙耦合饋電的雙極化微帶天線(xiàn)

本文采用縫隙耦合饋電雙極化天線(xiàn)作為寬帶天線(xiàn)單元(如圖2所示)，圖2為寬帶雙極化單元俯視圖，單元采用雙層倒置形式，上層方形貼片邊長(zhǎng)為b，下層方形貼片邊長(zhǎng)為a，兩個(gè)輻射貼片產(chǎn)生兩個(gè)諧振頻率，當(dāng)兩個(gè)諧振頻率相互靠近時(shí)，從而展開(kāi)了天線(xiàn)的頻帶。

圖2 寬帶雙極化單元

圖2(b)為寬帶雙極化天線(xiàn)單元仿真模型圖，最下一層為厚度為h0=14 mm 的空氣層。該天線(xiàn)的饋電微帶線(xiàn)敷在第1 層的下表面，垂直極化通過(guò)開(kāi)路微帶線(xiàn)耦合激勵(lì)，水平極化通過(guò)微帶線(xiàn)“T”形終端耦合激勵(lì)。饋電貼片位于第2 層的上表面，下面為開(kāi)縫接地板，選擇結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單的“H”形縫隙，并且兩個(gè)縫隙相互垂直，成軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。第3 層為厚度為h3空氣層。寄生貼片倒置于厚度為h4的最頂層第4 層介質(zhì)板的下面。4 層結(jié)構(gòu)的厚度分別為h1=1 mm，h2=1 mm，h3=5 mm，h4=2 mm;垂直極化開(kāi)路微帶饋線(xiàn)長(zhǎng)度為l1=16.4 mm，寬度w1=3.6 mm;水平極化“T”形微帶線(xiàn)l2=11.2 mm，w2=3.4 mm，l3=10 mm，w2=0.5 mm;地板上的垂直極化“H”形耦合縫左右兩部分的大小為2 mm×1.4 mm，中間連接部分的大小為4.7 mm×0.4 mm，水平極化耦合縫上下兩部分的大小為2 mm×2 mm，中間連接部分的大小為4.9 mm×1.1 mm。饋電貼片尺寸為b×b=12.2 mm×12.2 mm，寄生貼片尺寸為a×a=16 mm×16 mm。

1.2 PBG 高阻抗表面設(shè)計(jì)

高阻表面可以放在距離饋線(xiàn)開(kāi)縫地板非常近的距離，遠(yuǎn)小于四分之一波長(zhǎng)，因此可以在保證天線(xiàn)性能的情況下減小單元的剖面厚度，實(shí)現(xiàn)低剖面，高增益，低后向輻射的良好性能。本節(jié)中使用HFSS 中的Floquet Port 端口并結(jié)合主從邊界(Master/Slave)，通過(guò)仿真一個(gè)結(jié)構(gòu)單元來(lái)模仿無(wú)限大高阻表面的反射相位特性，找出PBG 結(jié)構(gòu)的帶隙范圍，并使PBG 結(jié)構(gòu)的帶隙范圍設(shè)計(jì)得到的縫隙耦合雙極化微帶天線(xiàn)單元相重合，在帶寬范圍內(nèi)可以提高微帶天線(xiàn)的性能。

下面給出設(shè)計(jì)的C 波段以5.3 GHz為帶隙中心頻率的PBG 結(jié)構(gòu)單元，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸為:貼片寬度w=5 mm，縫隙寬度g=0.8 mm，基片厚度h=1.8 mm，介質(zhì)的介電常數(shù)為10.2，金屬柱半徑為0.2 mm。仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 PBG 高阻地板單元反射系數(shù)

設(shè)計(jì)的5×5 單元的PBG 結(jié)構(gòu)高阻表面，PBG 結(jié)構(gòu)的下面為金屬覆層，將高阻表面作為寬帶雙極化微帶天線(xiàn)的地板，尺寸大小為29 mm×29 mm。

2 仿真結(jié)果與分析

基于上述兩方面的討論，我們?cè)O(shè)計(jì)的基于光子帶隙高阻表面的寬帶雙極化微帶天線(xiàn)單元，如圖1所示。在圖2(b)中離饋線(xiàn)3.2 mm 處加上圖4 厚度為h=1.8 mm 的光子帶隙高阻表面板。即在饋電線(xiàn)下方厚度為h0=3.2 mm 的空氣層的下面為高阻表面。我們將其與相同剖面厚度的即在距離饋線(xiàn)5 mm處加地板的雙極化寬帶微帶天線(xiàn)作比較。

圖4 5×5PBG 結(jié)構(gòu)單元高阻地板建模

圖5(a)、5(b)分別給出加PBG 高阻表面地板的雙極化微帶天線(xiàn)單元水平極化和垂直極化端口的阻抗帶寬示意圖。由圖可見(jiàn)，對(duì)于水平極化端口，其駐波比小于2 的帶寬為1.1 GHz，帶寬范圍為4.67 GHz～5.77 GHz(VSWR＜2)，其中4.69 GHz～5.56 GHz 全落在駐波比小于1.5 的范圍內(nèi)。垂直極化端口駐波比小于2 的帶寬為1.05 GHz，帶寬范圍亦為4.67 GHz～5.72 GHz(VSWR＜2)，相對(duì)帶寬均大約為21.1%。

圖5 加PBG 高阻地板與相同尺寸加普通地板單元不同極化端口的駐波圖

相同情況下，加普通地板的雙極化微帶天線(xiàn)單元水平極化端口，其阻抗帶寬向低頻偏移為4.46 GHz～5.15 GHz(VSWR＜2)，帶寬只有0.69 GHz，相對(duì)帶寬約14.3%，垂直極化端口，其阻抗帶寬亦向低頻偏移，帶寬范圍為4.45 GHz～5.05 GHz(VSWR＜2)，帶寬只有0.6 GHz，相對(duì)帶寬約10.4%。

通過(guò)比較，普通地板在距離天線(xiàn)很近的位置處，阻抗帶寬明顯惡化，而高阻地板在距離天線(xiàn)很近的位置處，阻抗性能反而提高。作者分析原因:從微帶天線(xiàn)原理出發(fā)，普通地板與天線(xiàn)構(gòu)成一諧振機(jī)制，帶寬隨著厚度的增加而增大，若地板距離天線(xiàn)很近時(shí)，帶寬將會(huì)減小;而對(duì)于高阻表面，諧振并不主要存在于高阻地板與微帶天線(xiàn)之間，存在于高阻表面每個(gè)PBG 的結(jié)構(gòu)單元的許多個(gè)并聯(lián)諧振占主要的因素，因此即使高阻表面距離天線(xiàn)很近時(shí)，其品質(zhì)因素并沒(méi)有提高，某些情況下還會(huì)得到降低，因此厚度降低，帶寬不會(huì)惡化。

圖6為同等厚度的加高阻表面地板的天線(xiàn)單元與加普通地板的天線(xiàn)單元的極化隔離度比較圖。由圖可見(jiàn)，在4.8 GHz～6.0 GHz 的整個(gè)范圍內(nèi)，加PBG 高阻地板的天線(xiàn)其極化隔離度明顯優(yōu)于加普通地板的天線(xiàn)單元，在整個(gè)要求的帶寬范圍內(nèi)，極化隔離度優(yōu)于－40 dB，且在5.2 GHz 附近，極化隔離度最大可提高約8 dB。由此可見(jiàn)，高阻表面對(duì)提高天線(xiàn)的極化隔離度有顯著的效果。

圖6 加普通地板與加PBG 高阻表面的極化隔離度比較

圖7(a)和7(b)為中心頻率下加PBG 高阻表面地板和相同厚度的情況下加普通地板的雙極化微帶天線(xiàn)單元垂直極化條件下的E 面和H 面主極化和交叉極化的增益方向圖。由圖可見(jiàn)，垂直極化條件下，加普通地板的雙極化微帶天線(xiàn)單元的主極化在前向最大輻射方向上的增益為8.38 dB，最大輻射方向上的交叉極化為－21.6 dB;加PBG 高阻地板的主極化在前向最大輻射方向上的增益為8.58 dB，最大輻射方向上的交叉極化為－23.2 dB;PBG 的引入使交叉極化降低了1.6 dB，且PBG 結(jié)構(gòu)地板可以提高前向增益，約0.2 dB，相比于普通地板，增益提高并不是很明顯，其主要原因是由于該天線(xiàn)的開(kāi)縫地板對(duì)輻射起著關(guān)鍵的影響，因此在饋線(xiàn)下面加高阻地板較普通地板性能只能稍有增強(qiáng)。

水平極化條件下加PBG 高阻表面地板和相同厚度的情況下加普通地板的雙極化微帶天線(xiàn)單元的E 面和H 面主極化和交叉極化的增益方向圖如圖8(a)和8(b)所示。由圖可見(jiàn)，水平極化條件下，加普通地板的雙極化微帶天線(xiàn)單元主極化在前向最大輻射方向上的增益為8.43 dB，最大輻射方向上的交叉極化為－21.3 dB;加PBG 高阻地板的主極化在前向最大輻射方向上的增益為8.56 dB，且最大輻射方向上的交叉極化為－25.2 dB。

圖7 垂直極化加PBG 高阻表面地板與加普通地板的E 面與H 面主極化與交叉極化

圖8 水平極化加PBG 高阻表面地板E 面與H 面的主極化與交叉極化

可以看出，PBG 的引入使交叉極化降低3.9 dB，且PBG 結(jié)構(gòu)地板較普通的地板可以提高前向增益，可提高0.13 dB。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于PBG 高阻表面新型光子帶隙寬帶雙極化微帶天線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)C 波段以5.2 GHz為中心頻點(diǎn)22%的阻抗帶寬(S11＜－10 dB)。相比于F.F.Dubrovka 設(shè)計(jì)的縫隙耦合微帶天線(xiàn)，地板由距離饋電線(xiàn)四分之一波長(zhǎng)降為十分之一波長(zhǎng)，兩極化端口隔離度降低了8 dB 左右，交叉極化電平降低了3 dB 左右。與相同厚度不加PBG 地板的情況相比較，該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了雙極化微帶天線(xiàn)帶寬和增益的提高，且在帶寬范圍內(nèi)，雙極化微帶天線(xiàn)的極化隔離度、交叉極化得到了明顯的改善，文章從理論上分析了該天線(xiàn)性能改進(jìn)的具體原因。仿真結(jié)果表明這種新型基于PBG 結(jié)構(gòu)的寬帶雙極化微帶天線(xiàn)的有效性。

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