新型光子帶隙寬帶雙極化微帶天線設計

袁宏偉，汪春霆，杜 彪

(中國電子科技集團第54 研究所，石家莊 050000)

頻譜資源日益緊張的現代衛星通信領域迫切需要天線具有雙極化功能，因為雙極化可使它的通信容量增加一倍。微帶天線以重量輕、低剖面、易于制造，且易與飛行器表面共形的優點而被越來越廣泛地應用［1－5］，利用它實現雙極化天線一直是人們熱衷的課題。但微帶天線又因其頻帶窄，效率低，增益低的缺點在應用上受到種種限制［6］。目前對雙極化微帶天線的設計主要圍繞寬帶、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方面。

使用縫隙耦合饋電的方法可以拓展微帶天線帶寬［7－8］，但會引起很大的背向輻射。F.Rostan［9］等將兩個矩形縫隙排成L 形，這種結構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－25 dB 以下。F.F.Dubrovka［11］等將兩個矩形縫隙排成T 形，減少兩個縫隙的耦合，兩極化端口隔離度為40 dB 左右，交叉極化電平可達－22 dB。以上幾種方式為了降低后瓣電平并提高天線的增益，均在離開縫地板四分之一波長處加一塊金屬反射板，這樣會相應地增大了天線的結構。加上地板后，其上感應出表面電流，傳播表面波并參與輻射，同時，由于地板有限大，表面波會產生很強的多路輻射效應，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 研究的基礎上，從同時改善帶寬、增益、降低剖面并提高天線的極化純度出發，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。

1 基于光子帶隙寬帶雙極化微帶單元

該天線單元由兩部分構成:一個縫隙耦合饋電的雙極化微帶天線和置于饋電線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單元建模

1.1 縫隙耦合饋電的雙極化微帶天線

本文采用縫隙耦合饋電雙極化天線作為寬帶天線單元(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，上層方形貼片邊長為b，下層方形貼片邊長為a，兩個輻射貼片產生兩個諧振頻率，當兩個諧振頻率相互靠近時，從而展開了天線的頻帶。

圖2 寬帶雙極化單元

圖2(b)為寬帶雙極化天線單元仿真模型圖，最下一層為厚度為h0=14 mm 的空氣層。該天線的饋電微帶線敷在第1 層的下表面，垂直極化通過開路微帶線耦合激勵，水平極化通過微帶線“T”形終端耦合激勵。饋電貼片位于第2 層的上表面，下面為開縫接地板，選擇結構相對比較簡單的“H”形縫隙，并且兩個縫隙相互垂直，成軸對稱結構。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 層介質板的下面。4 層結構的厚度分別為h1=1 mm，h2=1 mm，h3=5 mm，h4=2 mm;垂直極化開路微帶饋線長度為l1=16.4 mm，寬度w1=3.6 mm;水平極化“T”形微帶線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 高阻抗表面設計

高阻表面可以放在距離饋線開縫地板非常近的距離，遠小于四分之一波長，因此可以在保證天線性能的情況下減小單元的剖面厚度，實現低剖面，高增益，低后向輻射的良好性能。本節中使用HFSS 中的Floquet Port 端口并結合主從邊界(Master/Slave)，通過仿真一個結構單元來模仿無限大高阻表面的反射相位特性，找出PBG 結構的帶隙范圍，并使PBG 結構的帶隙范圍設計得到的縫隙耦合雙極化微帶天線單元相重合，在帶寬范圍內可以提高微帶天線的性能。

下面給出設計的C 波段以5.3 GHz為帶隙中心頻率的PBG 結構單元，設計的結構尺寸為:貼片寬度w=5 mm，縫隙寬度g=0.8 mm，基片厚度h=1.8 mm，介質的介電常數為10.2，金屬柱半徑為0.2 mm。仿真結果如圖3所示。

圖3 PBG 高阻地板單元反射系數

設計的5×5 單元的PBG 結構高阻表面，PBG 結構的下面為金屬覆層，將高阻表面作為寬帶雙極化微帶天線的地板，尺寸大小為29 mm×29 mm。

2 仿真結果與分析

基于上述兩方面的討論，我們設計的基于光子帶隙高阻表面的寬帶雙極化微帶天線單元，如圖1所示。在圖2(b)中離饋線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5 mm處加地板的雙極化寬帶微帶天線作比較。

圖4 5×5PBG 結構單元高阻地板建模

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，對于水平極化端口，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。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，相對帶寬約10.4%。

通過比較，普通地板在距離天線很近的位置處，阻抗帶寬明顯惡化，而高阻地板在距離天線很近的位置處，阻抗性能反而提高。作者分析原因:從微帶天線原理出發，普通地板與天線構成一諧振機制，帶寬隨著厚度的增加而增大，若地板距離天線很近時，帶寬將會減小;而對于高阻表面，諧振并不主要存在于高阻地板與微帶天線之間，存在于高阻表面每個PBG 的結構單元的許多個并聯諧振占主要的因素，因此即使高阻表面距離天線很近時，其品質因素并沒有提高，某些情況下還會得到降低，因此厚度降低，帶寬不會惡化。

圖6為同等厚度的加高阻表面地板的天線單元與加普通地板的天線單元的極化隔離度比較圖。由圖可見，在4.8 GHz～6.0 GHz 的整個范圍內，加PBG 高阻地板的天線其極化隔離度明顯優于加普通地板的天線單元，在整個要求的帶寬范圍內，極化隔離度優于－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，高阻表面對提高天線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，垂直極化條件下，加普通地板的雙極化微帶天線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 結構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的開縫地板對輻射起著關鍵的影響，因此在饋線下面加高阻地板較普通地板性能只能稍有增強。

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，水平極化條件下，加普通地板的雙極化微帶天線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 結構地板較普通的地板可以提高前向增益，可提高0.13 dB。

3 結束語

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，實現C 波段以5.2 GHz為中心頻點22%的阻抗帶寬(S11＜－10 dB)。相比于F.F.Dubrovka 設計的縫隙耦合微帶天線，地板由距離饋電線四分之一波長降為十分之一波長，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，該結構實現了雙極化微帶天線帶寬和增益的提高，且在帶寬范圍內，雙極化微帶天線的極化隔離度、交叉極化得到了明顯的改善，文章從理論上分析了該天線性能改進的具體原因。仿真結果表明這種新型基于PBG 結構的寬帶雙極化微帶天線的有效性。

［1］鐘順時.微帶天線理論與應用［M］.西安:西安電子科技大學出版社.

［2］Permana C G，Munir A.Printed Multiband Antenna for Mobile and Wireless Communications ［J］.Telecommunication Systems，Services，and Applications (TSSA)，2011 6th International Conference，2011，236－240.

［3］Ramirez R R，De Flaviis F，Alexopoules N G.Single-Feed Circularly Polarized Microstrip Ring Antenna and Arrays［J］.Antennas and Propagation，IEEE Transactions，2000，48(7):1040－1047.

［4］Fan Jin，Zhan Dezhi，Jin Chengjin，et al.Wideband Microstrip Bandpass Filter Based on Quadruple Mode Ring Resonator［J］.Microwave and Wireless Components Letters，IEEE，2012，22(7):348－350.

［5］Baskar D，Kumar C R A，Subramoniam P.A Linearly Polarized Microstrip Patch Antenna Array Using Microstrip Line Feed［C］//Computing，Communication and Applications (ICCCA)，2012 International Conference，2012，1－4.

［6］Mishra P K，Kumar G.Dual Polarized Circular Microstrip Space-Fed Antenna Array Design with High Isolation and Broad Bandwidth［C］//Devices，Circuits and Systems(ICDCS)，2012 International Conference，2012，540－544.

［7］Yazdi M E，Himdi M，Daniel J P.Transmission Line Analysis of Nonlinear Slot Coupled Microstrip Antenna［J］.IEEE Lectron Lett，1992，28(15):1406－1408.

［8］Rathi V，Kmuar G，Ray K P，et al.Improved Coupling for Aperture Coupled Microstrip Antennas［J］.IEEE Trans on Antenna Propagat，1996，44(8):1196－1198.

［9］Rostan F，Wiesbeck W.Dual Polarized Microstrip Patch Arrays for the Next Generation of Spaceborne Synthetic Aperture Radars［C］//International Geoscience and Remote Sensing Symp.，Firenze，1995，3:2277－2279.

［10］Tsao C H，Hwang Y M，Kilburg F，et al.Aperture-Coupled Patch Antennas with Wide-Bandwidth and Dual-Polarization Capabilities［C］//IEEE Antennas Propagat.Symp.，Syracuse，NY，1988，3:936－939.

［11］Dubrovka F F，Martynyuk S Y.Wideband Dual Polarized Planar Antenna Arrays［C］//International Conference on Antenna Theory and Techniques，Sevastopol，Ukraine，2003，91－96.

［12］范瑾，鄧云凱，羅積潤，等.新型基于PBG 結構的寬帶高增益貼片天線及陣列技術研究［J］.電子器件，2010，33(3):322－326.

［13］Xiao Jiankang，Liu Weina，Chu Qingxin.A New PBG Suspended Patch Antenna［C］//Antennas，Propagation and EM Theory，2008.ISAPE 2008.8th International Symposium，2008，229－232.

［14］Wu Yiqiang，Fu Tao.The Study on a Patch Antenna with PBG Structure［C］//Intelligent Information Technology Application，2009 Third International Symposium on，2009，565－567.

［15］Pavlickovski D，Waterhouse R B.Shorted Microstrip Antenna on a Photonic Bandgap Substrate［J］.Antennas and Propagation，IEEE Transactions，2003，51(9):2472－2475.