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。