基于EBG結構的方向圖可重構天線(xiàn)設計

波束可控天線(xiàn)在衛星、移動(dòng)電視、雷達系統等領(lǐng)域中應用廣泛。文獻都展開(kāi)了對天線(xiàn)的輻射方向圖控制的研究。文獻中，一種矩形環(huán)狀的天線(xiàn)被提出，這種天線(xiàn)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(xiàn)可以形成波束偏移的方向圖和圓環(huán)狀方向圖。文獻中介紹了一種環(huán)形縫隙天線(xiàn)，將這種天線(xiàn)與地板短路，達到波束偏移的目的。可重構天線(xiàn)通過(guò)改變自身結構，重構天線(xiàn)的諧振頻率、輻射方向圖、極化等特性。可重構天線(xiàn)的概念解決了系統的造價(jià)和重量等現實(shí)的問(wèn)題。文獻[4]中提出一種方向圖可重構天線(xiàn)，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(xiàn)的物理結構或者尺寸。

近些年，電磁帶隙(EBG)結構在天線(xiàn)領(lǐng)域中有著(zhù)廣泛的應用 。 EBG結構用于降低天線(xiàn)單元間的互耦。,EBG結構在天線(xiàn)的設計中用于獲得更寬的帶寬和高效率。同樣EBG結構可以用于控制天線(xiàn)的輻射方向圖。

本文提出了一種基于EBG結構的新型U型縫隙微帶天線(xiàn)。EBG結構代替了部分金屬接地板，由于EBG結構的引入，天線(xiàn)貼片上的電流得到了有效控制。通過(guò)測試，天線(xiàn)的工作頻率為5.5GHz，輻射的最大增益出現在22°為7.75dBi。通過(guò)參數分析發(fā)現，天線(xiàn)波束的偏移角度與EBG結構有關(guān)。根據這一特點(diǎn)，提出了天線(xiàn)的方向圖可重構，提出了設計方案，并通過(guò)仿真驗證其可行性。

2天線(xiàn)單元的設計和結果

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

(a)三維視圖

(b)側視圖

圖1U型縫隙微帶天線(xiàn)結構示意圖

U型縫隙微帶天線(xiàn)具有調節變量多的優(yōu)點(diǎn)，可以通過(guò)優(yōu)化達到阻抗匹配。圖4為天線(xiàn)反射系數的仿真及測試結果。與仿真相比測試結果帶寬更窄，中心頻率5.5GHz，帶寬從4.99GHz-5.63GHz。圖5為微帶天線(xiàn)單元在頻率5.5GHz仿真和測試的輻射方向圖對比，仿真時(shí)最大的輻射方向為20°，增益為7.6dBi；測試時(shí)角度偏移方向為22°，增益為7.75dBi。波束產(chǎn)生偏移原因是EBG結構改變了微帶天線(xiàn)貼片上的電流分布。

天線(xiàn)波束的偏移角度可以通過(guò)EBG結構排數來(lái)控制?；谝陨涎芯拷Y果，增加或者減少EBG排數能夠改變天線(xiàn)的最大輻射方向。不同EBG結構的仿真和測試輻射方向圖如圖6和圖7所示。表1將EBG的分布與角度、增益的測試數據列出，其中括號內的數值為仿真結果。

圖2U型縫隙貼片俯視圖

圖3EBG結構示意圖

圖4S11仿真與測試比較

圖5天線(xiàn)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分布測試輻射方向圖

表1EBG分布與增益角度表

3 方向圖可重構天線(xiàn)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，即設計出一種方向圖可重構微帶天線(xiàn)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。為了準確的模擬實(shí)際開(kāi)關(guān)，在仿真中導通狀態(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。當兩組開(kāi)關(guān)都導通時(shí)等效于天線(xiàn)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)，相當于4排EBG同時(shí)工作，最大增益出現在31°。當開(kāi)關(guān)1導通，開(kāi)關(guān)2斷開(kāi)時(shí)波束的偏移角度為23°；與之相反，當開(kāi)關(guān)2導通，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(xiàn)輻射方向圖

4結論

在本文提出了一種新型的U型縫隙微帶天線(xiàn)。使用了EBG結構替代了部分微帶天線(xiàn)的地板可實(shí)現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)，達到控制天線(xiàn)波束指向的目的，由此可實(shí)現方向圖可重構天線(xiàn)單元。