基于EBG結(jié)構(gòu)的方向圖可重構(gòu)天線設(shè)計(jì)

波束可控天線在衛(wèi)星、移動(dòng)電視、雷達(dá)系統(tǒng)等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。文獻(xiàn)都展開(kāi)了對(duì)天線的輻射方向圖控制的研究。文獻(xiàn)中，一種矩形環(huán)狀的天線被提出，這種天線上包含了4個(gè)饋電點(diǎn)，通過(guò)改變饋電點(diǎn)的位置得到四個(gè)指向不同方向的波束。一種星型天線可以形成波束偏移的方向圖和圓環(huán)狀方向圖。文獻(xiàn)中介紹了一種環(huán)形縫隙天線，將這種天線與地板短路，達(dá)到波束偏移的目的。可重構(gòu)天線通過(guò)改變自身結(jié)構(gòu)，重構(gòu)天線的諧振頻率、輻射方向圖、極化等特性。可重構(gòu)天線的概念解決了系統(tǒng)的造價(jià)和重量等現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題。文獻(xiàn)[4]中提出一種方向圖可重構(gòu)天線，通過(guò)開(kāi)關(guān)的控制使得波束指向四個(gè)不同的方向。PIN二極管開(kāi)關(guān)經(jīng)常被用于改變天線的物理結(jié)構(gòu)或者尺寸。

近些年，電磁帶隙(EBG)結(jié)構(gòu)在天線領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用 。 EBG結(jié)構(gòu)用于降低天線單元間的互耦。,EBG結(jié)構(gòu)在天線的設(shè)計(jì)中用于獲得更寬的帶寬和高效率。同樣EBG結(jié)構(gòu)可以用于控制天線的輻射方向圖。

本文提出了一種基于EBG結(jié)構(gòu)的新型U型縫隙微帶天線。EBG結(jié)構(gòu)代替了部分金屬接地板，由于EBG結(jié)構(gòu)的引入，天線貼片上的電流得到了有效控制。通過(guò)測(cè)試，天線的工作頻率為5.5GHz，輻射的最大增益出現(xiàn)在22°為7.75dBi。通過(guò)參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，天線波束的偏移角度與EBG結(jié)構(gòu)有關(guān)。根據(jù)這一特點(diǎn)，提出了天線的方向圖可重構(gòu)，提出了設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)仿真驗(yàn)證其可行性。

2天線單元的設(shè)計(jì)和結(jié)果

新型的U型縫隙微帶天線的示意圖如圖1所示。微帶天線的部分金屬接地板被EBG結(jié)構(gòu)所替代。U型縫隙微帶天線的尺寸如圖2所示。介質(zhì)基板為ArlonAD270，相對(duì)介電常數(shù)εr1=2.7，介質(zhì)厚度h=3.5mm。如圖3所示，EBG結(jié)構(gòu)在[11]中提出。EBG結(jié)構(gòu)的詳細(xì)尺寸如下：W=0.12λ0,g=0.02λ0,h=0.04λ0,r=0.005λ0,εr2=2.2,λ0=50mm。

(a)三維視圖

(b)側(cè)視圖

圖1U型縫隙微帶天線結(jié)構(gòu)示意圖

U型縫隙微帶天線具有調(diào)節(jié)變量多的優(yōu)點(diǎn)，可以通過(guò)優(yōu)化達(dá)到阻抗匹配。圖4為天線反射系數(shù)的仿真及測(cè)試結(jié)果。與仿真相比測(cè)試結(jié)果帶寬更窄，中心頻率5.5GHz，帶寬從4.99GHz-5.63GHz。圖5為微帶天線單元在頻率5.5GHz仿真和測(cè)試的輻射方向圖對(duì)比，仿真時(shí)最大的輻射方向?yàn)?0°，增益為7.6dBi；測(cè)試時(shí)角度偏移方向?yàn)?2°，增益為7.75dBi。波束產(chǎn)生偏移原因是EBG結(jié)構(gòu)改變了微帶天線貼片上的電流分布。

天線波束的偏移角度可以通過(guò)EBG結(jié)構(gòu)排數(shù)來(lái)控制。基于以上研究結(jié)果，增加或者減少EBG排數(shù)能夠改變天線的最大輻射方向。不同EBG結(jié)構(gòu)的仿真和測(cè)試輻射方向圖如圖6和圖7所示。表1將EBG的分布與角度、增益的測(cè)試數(shù)據(jù)列出，其中括號(hào)內(nèi)的數(shù)值為仿真結(jié)果。

圖2U型縫隙貼片俯視圖

圖3EBG結(jié)構(gòu)示意圖

圖4S11仿真與測(cè)試比較

圖5天線單元輻射方向圖

圖6不同EBG分布仿真輻射方向圖

圖7不同EBG分布測(cè)試輻射方向圖

表1EBG分布與增益角度表

3 方向圖可重構(gòu)天線的研究

EBG貼片與附近金屬地的接通與斷開(kāi)能夠改變輻射方向圖，即設(shè)計(jì)出一種方向圖可重構(gòu)微帶天線單元。本文采用兩組PIN二極管開(kāi)關(guān)控制EBG貼片與金屬地之間的通斷，開(kāi)關(guān)1和開(kāi)關(guān)2的位置如圖8所示。為了準(zhǔn)確的模擬實(shí)際開(kāi)關(guān)，在仿真中導(dǎo)通狀態(tài)下的PIN二極管等效為3Ω的電阻，截至狀態(tài)的二極管可以等效為0.025pF的電容。兩組開(kāi)關(guān)的接通和斷開(kāi)可以得到四種不同的輻射方向圖，如圖9所示。當(dāng)兩組開(kāi)關(guān)都導(dǎo)通時(shí)等效于天線兩旁EBG皆為金屬地，方向圖不發(fā)生偏移；開(kāi)關(guān)都斷開(kāi)時(shí)，相當(dāng)于4排EBG同時(shí)工作，最大增益出現(xiàn)在31°。當(dāng)開(kāi)關(guān)1導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)2斷開(kāi)時(shí)波束的偏移角度為23°；與之相反，當(dāng)開(kāi)關(guān)2導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)1斷開(kāi)時(shí)，即只有3排EBG在工作時(shí)偏移角度為36°。

圖8PIN二極管位置示意圖

圖9開(kāi)關(guān)分別通斷的四種情況下天線輻射方向圖

4結(jié)論

在本文提出了一種新型的U型縫隙微帶天線。使用了EBG結(jié)構(gòu)替代了部分微帶天線的地板可實(shí)現(xiàn)最大的輻射方向的控制。將PIN二極管作為開(kāi)關(guān)控制EBG貼片與金屬地之間的接通和斷開(kāi)，達(dá)到控制天線波束指向的目的，由此可實(shí)現(xiàn)方向圖可重構(gòu)天線單元。