加載EBG反射板的圓極化偶極子天線

穆欣

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

圓極化天線有著廣泛的應(yīng)用范圍，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計難度大，如何設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單且性能優(yōu)良的圓極化天線一直是研究熱點[1]。EBG結(jié)構(gòu)（Electromagnetic band gap,EBG）是一種人造周期性結(jié)構(gòu)，它具有多種類型，一般是由金屬和介質(zhì)混合組成。近些年來，EBG結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用在微波器件電路和天線設(shè)計中，尤其在微帶天線設(shè)計中，它不僅能提高微帶天線的性能，而且可以使微帶天線獲得原本不具有的特性[2-3]。本文正是利用平面EBG結(jié)構(gòu)能夠影響反射電磁波相位的特性使原本輻射線極化波的偶極子天線輻射圓極化波。

1 天線設(shè)計

與PEC表面相同的是EBG結(jié)構(gòu)能夠無損耗地反射電磁波，但不同點在于如果以 EBG結(jié)構(gòu)表面為相位0°參考面，垂直照射EBG的反射電磁波相位會隨著頻率增加而從-180°到 180°連續(xù)變化，而且組成單元的外形和尺寸是影響反射波相位變化的重要因素。根據(jù)這一特性設(shè)計了如圖1所示的EBG結(jié)構(gòu)反射板，其中介質(zhì)板介電常數(shù)2.65，厚度3mm，大小 56×60mm2，貼片尺寸 6.9×10.9mm2。當(dāng)分別用X和Y方向極化電磁波垂直照射該EBG反射板時，反射波相位會出現(xiàn)如圖 2所示的變化。（本文的仿真過程都是在高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件 HFSS v13中進(jìn)行的）。

由圖2可見，對于不同極化方向來波，反射波相位有著不同的變化形式。通過調(diào)整單元的邊長，可以實現(xiàn)在5.2 GHz處，X方向極化的電磁波對應(yīng)反射波相位偏移為90°，而Y方向極化的電磁波對應(yīng)的反射波相位偏移為-90°。

圖1 EBG反射板

圖2 反射波相位

天線和 EBG反射板結(jié)合示意圖如圖 3，其中EBG反射板是由7×5矩形單元貼片組成，天線是偶極子，諧振頻率為5.2 GHz，在XOY面上，天線相對反射板邊緣沿著Z軸旋轉(zhuǎn)45°，在Z軸方向上，天線距離反射板hmm。

眾所周知，偶極子天線輻射線極化波，在圖 3所示的結(jié)構(gòu)中，空間中的電磁波可以表示為入射波和反射波的疊加：

式中，E0是電場幅度，k是自由空間的波數(shù)，h是天線與反射板之間的距離，時間因子是ejωt，θx和θy分別對應(yīng)X和Y極化的入射波經(jīng)過反射板反射后的相位變化量。

圖3 天線設(shè)計示意圖

對于理想情況下的PEC反射板有θx=θy=180°，若天線距離→反射板很近，即h→0時，這樣根據(jù)式（1）就有E=0，即空間中不存在電磁波，或者說入射波和反射波相位差 180°相互抵消，這一點也充分說明了利用常規(guī)的金屬反射板時需要將天線設(shè)置距離反射板四分之一波長。

在圖3所示的結(jié)構(gòu)中有：θx=90°，θy=-90°，那么當(dāng)h→0時，根據(jù)式（1）有：

可以看出天線輻射出了圓極化波，因此，加載EBG反射板的偶極子天線能輻射圓極化波，是一種圓極化天線。

2 仿真結(jié)果

我們分別仿真了不加載 EBG結(jié)構(gòu)反射板的天線和圖3所示的模型，得到的|S11|對比曲線如圖4。

從圖4中可以看，單個天線的阻抗帶寬可以達(dá)到0.77 GHz（4.94～5.73 GHz），增加發(fā)射板后的天線阻抗帶寬減小到0.65 GHz（4.7～5.35 GHz），可見，增加EBG反射板會減小天線的阻抗帶寬。

圖5表示了天線最大輻射方向的軸比曲線，從圖中可以看出，天線的軸比帶寬達(dá)到了 0.13 GHz（5.11～5.24 GHz）。從圖中看出，天線的增益達(dá)到了7.8 dB，而且具有較好的左旋圓極化特性。

從仿真數(shù)據(jù)看，該偶極子天線能夠有效地輻射圓極化波，而且阻抗帶寬達(dá)到了0.65 GHz，極化帶寬達(dá)到了0.13 GHz，天線增益達(dá)到了7.8 dB。增加反射板后的天線剖面沒有明顯增加，這樣的天線不僅實現(xiàn)了較好的圓極化特性，并且結(jié)構(gòu)簡單，剖面低。

圖4 天線和天線EBG的仿真|S11|曲線

圖5 仿真天線EBG軸比

圖6表示了天線的輻射方向圖。

圖6 天線仿真方向圖

3 結(jié)論

本文利用平面 EBG結(jié)構(gòu)能夠影響反射電磁波相位的特性使原本輻射線極化波的偶極子天線輻射圓極化波。設(shè)計出的圓極化天線具有結(jié)構(gòu)簡單，增益高等優(yōu)點。如果將圖 3中的天線沿Z軸旋轉(zhuǎn)135°，則可以得到右旋圓極化。本文為圓極化天線設(shè)計提供了思路，同時也擴(kuò)大了 EBG結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍。

[1]Michael Diblanc,Emmanuel Rodes,Eric Arnaud,Marc Thevenot,Thierry Monediere,and Bernard Jecko.Circularly Polarized Metallic EBG Antenna[J].IEEE Microwave And Wireless Components Letters,Vol.15,No.10,638-640,OCTOBER 2005.

[2]Fan Yang and Yahya Rahmat-Samii,A Low-Profile Circularly Polarized Curl Antenna Over An Electromagnetic Bandgap (EBG) Surface [J].Microwave and Optical Technology Letters,Vol.31,No.4,NOVEMBER 2001.

[3]Fan Yang and Yahya Rahmat-Samii,A Low Profile Single Dipole Antenna Radiating Circularly Polarized Waves [J].IEEE Transactions On Antennas And Propagation,Vol.53,No.9,SEPTEMBER 2005.