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。

作者：朱莉，王光明，高向军，粱建刚   来源：无线电通信技术