新型光子带隙宽带双极化微带天线设计

袁宏伟，汪春霆，杜 彪

(中国电子科技集团第54 研究所，石家庄 050000)

频谱资源日益紧张的现代卫星通信领域迫切需要天线具有双极化功能，因为双极化可使它的通信容量增加一倍。微带天线以重量轻、低剖面、易于制造，且易与飞行器表面共形的优点而被越来越广泛地应用［1－5］，利用它实现双极化天线一直是人们热衷的课题。但微带天线又因其频带窄，效率低，增益低的缺点在应用上受到种种限制［6］。目前对双极化微带天线的设计主要围绕宽带、多频段、小型化、提高极化端口隔离度和降低交叉极化电平这几个方面。

使用缝隙耦合馈电的方法可以拓展微带天线带宽［7－8］，但会引起很大的背向辐射。F.Rostan［9］等将两个矩形缝隙排成L 形，这种结构单元的两极化端口隔离度为20 dB，交叉极化为－15 dB～18 dB。C.H.Tsao［10］等将两个矩形缝隙相互垂直交叉形成十字型，其隔离度为22 dB 左右，交叉极化电平可达－25 dB 以下。F.F.Dubrovka［11］等将两个矩形缝隙排成T 形，减少两个缝隙的耦合，两极化端口隔离度为40 dB 左右，交叉极化电平可达－22 dB。以上几种方式为了降低后瓣电平并提高天线的增益，均在离开缝地板四分之一波长处加一块金属反射板，这样会相应地增大了天线的结构。加上地板后，其上感应出表面电流，传播表面波并参与辐射，同时，由于地板有限大，表面波会产生很强的多路辐射效应，在一定程度上降低了极化纯度，恶化了极化隔离度和交叉极化。

本文在F.F.Dubrovka 研究的基础上，从同时改善带宽、增益、降低剖面并提高天线的极化纯度出发，提出一种新型基于光子带隙(PBG)［12－15］高阻表面的宽带双极化微带天线。

1 基于光子带隙宽带双极化微带单元

该天线单元由两部分构成:一个缝隙耦合馈电的双极化微带天线和置于馈电线下方的光子带隙高阻表面板，如图1所示。

图1 加PBG 高阻表面地板的双极化微带天线单元建模

1.1 缝隙耦合馈电的双极化微带天线

本文采用缝隙耦合馈电双极化天线作为宽带天线单元(如图2所示)，图2为宽带双极化单元俯视图，单元采用双层倒置形式，上层方形贴片边长为b，下层方形贴片边长为a，两个辐射贴片产生两个谐振频率，当两个谐振频率相互靠近时，从而展开了天线的频带。

图2 宽带双极化单元

图2(b)为宽带双极化天线单元仿真模型图，最下一层为厚度为h0=14 mm 的空气层。该天线的馈电微带线敷在第1 层的下表面，垂直极化通过开路微带线耦合激励，水平极化通过微带线“T”形终端耦合激励。馈电贴片位于第2 层的上表面，下面为开缝接地板，选择结构相对比较简单的“H”形缝隙，并且两个缝隙相互垂直，成轴对称结构。第3 层为厚度为h3空气层。寄生贴片倒置于厚度为h4的最顶层第4 层介质板的下面。4 层结构的厚度分别为h1=1 mm，h2=1 mm，h3=5 mm，h4=2 mm;垂直极化开路微带馈线长度为l1=16.4 mm，宽度w1=3.6 mm;水平极化“T”形微带线l2=11.2 mm，w2=3.4 mm，l3=10 mm，w2=0.5 mm;地板上的垂直极化“H”形耦合缝左右两部分的大小为2 mm×1.4 mm，中间连接部分的大小为4.7 mm×0.4 mm，水平极化耦合缝上下两部分的大小为2 mm×2 mm，中间连接部分的大小为4.9 mm×1.1 mm。馈电贴片尺寸为b×b=12.2 mm×12.2 mm，寄生贴片尺寸为a×a=16 mm×16 mm。

1.2 PBG 高阻抗表面设计

高阻表面可以放在距离馈线开缝地板非常近的距离，远小于四分之一波长，因此可以在保证天线性能的情况下减小单元的剖面厚度，实现低剖面，高增益，低后向辐射的良好性能。本节中使用HFSS 中的Floquet Port 端口并结合主从边界(Master/Slave)，通过仿真一个结构单元来模仿无限大高阻表面的反射相位特性，找出PBG 结构的带隙范围，并使PBG 结构的带隙范围设计得到的缝隙耦合双极化微带天线单元相重合，在带宽范围内可以提高微带天线的性能。

下面给出设计的C 波段以5.3 GHz为带隙中心频率的PBG 结构单元，设计的结构尺寸为:贴片宽度w=5 mm，缝隙宽度g=0.8 mm，基片厚度h=1.8 mm，介质的介电常数为10.2，金属柱半径为0.2 mm。仿真结果如图3所示。

图3 PBG 高阻地板单元反射系数

设计的5×5 单元的PBG 结构高阻表面，PBG 结构的下面为金属覆层，将高阻表面作为宽带双极化微带天线的地板，尺寸大小为29 mm×29 mm。

2 仿真结果与分析

基于上述两方面的讨论，我们设计的基于光子带隙高阻表面的宽带双极化微带天线单元，如图1所示。在图2(b)中离馈线3.2 mm 处加上图4 厚度为h=1.8 mm 的光子带隙高阻表面板。即在馈电线下方厚度为h0=3.2 mm 的空气层的下面为高阻表面。我们将其与相同剖面厚度的即在距离馈线5 mm处加地板的双极化宽带微带天线作比较。

图4 5×5PBG 结构单元高阻地板建模

图5(a)、5(b)分别给出加PBG 高阻表面地板的双极化微带天线单元水平极化和垂直极化端口的阻抗带宽示意图。由图可见，对于水平极化端口，其驻波比小于2 的带宽为1.1 GHz，带宽范围为4.67 GHz～5.77 GHz(VSWR＜2)，其中4.69 GHz～5.56 GHz 全落在驻波比小于1.5 的范围内。垂直极化端口驻波比小于2 的带宽为1.05 GHz，带宽范围亦为4.67 GHz～5.72 GHz(VSWR＜2)，相对带宽均大约为21.1%。

图5 加PBG 高阻地板与相同尺寸加普通地板单元不同极化端口的驻波图

相同情况下，加普通地板的双极化微带天线单元水平极化端口，其阻抗带宽向低频偏移为4.46 GHz～5.15 GHz(VSWR＜2)，带宽只有0.69 GHz，相对带宽约14.3%，垂直极化端口，其阻抗带宽亦向低频偏移，带宽范围为4.45 GHz～5.05 GHz(VSWR＜2)，带宽只有0.6 GHz，相对带宽约10.4%。

通过比较，普通地板在距离天线很近的位置处，阻抗带宽明显恶化，而高阻地板在距离天线很近的位置处，阻抗性能反而提高。作者分析原因:从微带天线原理出发，普通地板与天线构成一谐振机制，带宽随着厚度的增加而增大，若地板距离天线很近时，带宽将会减小;而对于高阻表面，谐振并不主要存在于高阻地板与微带天线之间，存在于高阻表面每个PBG 的结构单元的许多个并联谐振占主要的因素，因此即使高阻表面距离天线很近时，其品质因素并没有提高，某些情况下还会得到降低，因此厚度降低，带宽不会恶化。

图6为同等厚度的加高阻表面地板的天线单元与加普通地板的天线单元的极化隔离度比较图。由图可见，在4.8 GHz～6.0 GHz 的整个范围内，加PBG 高阻地板的天线其极化隔离度明显优于加普通地板的天线单元，在整个要求的带宽范围内，极化隔离度优于－40 dB，且在5.2 GHz 附近，极化隔离度最大可提高约8 dB。由此可见，高阻表面对提高天线的极化隔离度有显著的效果。

图6 加普通地板与加PBG 高阻表面的极化隔离度比较

图7(a)和7(b)为中心频率下加PBG 高阻表面地板和相同厚度的情况下加普通地板的双极化微带天线单元垂直极化条件下的E 面和H 面主极化和交叉极化的增益方向图。由图可见，垂直极化条件下，加普通地板的双极化微带天线单元的主极化在前向最大辐射方向上的增益为8.38 dB，最大辐射方向上的交叉极化为－21.6 dB;加PBG 高阻地板的主极化在前向最大辐射方向上的增益为8.58 dB，最大辐射方向上的交叉极化为－23.2 dB;PBG 的引入使交叉极化降低了1.6 dB，且PBG 结构地板可以提高前向增益，约0.2 dB，相比于普通地板，增益提高并不是很明显，其主要原因是由于该天线的开缝地板对辐射起着关键的影响，因此在馈线下面加高阻地板较普通地板性能只能稍有增强。

水平极化条件下加PBG 高阻表面地板和相同厚度的情况下加普通地板的双极化微带天线单元的E 面和H 面主极化和交叉极化的增益方向图如图8(a)和8(b)所示。由图可见，水平极化条件下，加普通地板的双极化微带天线单元主极化在前向最大辐射方向上的增益为8.43 dB，最大辐射方向上的交叉极化为－21.3 dB;加PBG 高阻地板的主极化在前向最大辐射方向上的增益为8.56 dB，且最大辐射方向上的交叉极化为－25.2 dB。

图7 垂直极化加PBG 高阻表面地板与加普通地板的E 面与H 面主极化与交叉极化

图8 水平极化加PBG 高阻表面地板E 面与H 面的主极化与交叉极化

可以看出，PBG 的引入使交叉极化降低3.9 dB，且PBG 结构地板较普通的地板可以提高前向增益，可提高0.13 dB。

3 结束语

本文提出了一种基于PBG 高阻表面新型光子带隙宽带双极化微带天线，实现C 波段以5.2 GHz为中心频点22%的阻抗带宽(S11＜－10 dB)。相比于F.F.Dubrovka 设计的缝隙耦合微带天线，地板由距离馈电线四分之一波长降为十分之一波长，两极化端口隔离度降低了8 dB 左右，交叉极化电平降低了3 dB 左右。与相同厚度不加PBG 地板的情况相比较，该结构实现了双极化微带天线带宽和增益的提高，且在带宽范围内，双极化微带天线的极化隔离度、交叉极化得到了明显的改善，文章从理论上分析了该天线性能改进的具体原因。仿真结果表明这种新型基于PBG 结构的宽带双极化微带天线的有效性。

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