加载EBG反射板的圆极化偶极子天线

0 引言

圆极化天线有着广泛的应用范围，但是其结构复杂，设计难度大，如何设计结构简单且性能优良的圆极化天线一直是研究热点[1]。EBG结构（Electromagnetic band gap,EBG）是一种人造周期性结构，它具有多种类型，一般是由金属和介质混合组成。近些年来，EBG结构被广泛应用在微波器件电路和天线设计中，尤其在微带天线设计中，它不仅能提高微带天线的性能，而且可以使微带天线获得原本不具有的特性[2-3]。本文正是利用平面EBG结构能够影响反射电磁波相位的特性使原本辐射线极化波的偶极子天线辐射圆极化波。

1 天线设计

与PEC表面相同的是EBG结构能够无损耗地反射电磁波，但不同点在于如果以 EBG结构表面为相位0°参考面，垂直照射EBG的反射电磁波相位会随着频率增加而从-180°到 180°连续变化，而且组成单元的外形和尺寸是影响反射波相位变化的重要因素。根据这一特性设计了如图1所示的EBG结构反射板，其中介质板介电常数2.65，厚度3mm，大小 56×60mm2，贴片尺寸 6.9×10.9mm2。当分别用X和Y方向极化电磁波垂直照射该EBG反射板时，反射波相位会出现如图 2所示的变化。（本文的仿真过程都是在高频结构仿真软件 HFSS v13中进行的）。

由图2可见，对于不同极化方向来波，反射波相位有着不同的变化形式。通过调整单元的边长，可以实现在5.2 GHz处，X方向极化的电磁波对应反射波相位偏移为90°，而Y方向极化的电磁波对应的反射波相位偏移为-90°。

图1 EBG反射板

图2 反射波相位

天线和 EBG反射板结合示意图如图 3，其中EBG反射板是由7×5矩形单元贴片组成，天线是偶极子，谐振频率为5.2 GHz，在XOY面上，天线相对反射板边缘沿着Z轴旋转45°，在Z轴方向上，天线距离反射板h mm。

众所周知，偶极子天线辐射线极化波，在图 3所示的结构中，空间中的电磁波可以表示为入射波和反射波的叠加：

式中，E0是电场幅度，k是自由空间的波数，h是天线与反射板之间的距离，时间因子是 e jωt ，θx和θy分别对应X和Y极化的入射波经过反射板反射后的相位变化量。

图3 天线设计示意图

对于理想情况下的PEC反射板有θx=θ y=180°，若天线距离→反射板很近，即h→0时，这样根据式（1）就有E=0，即空间中不存在电磁波，或者说入射波和反射波相位差 180°相互抵消，这一点也充分说明了利用常规的金属反射板时需要将天线设置距离反射板四分之一波长。

在图3所示的结构中有：θx=90°，θy=-90°，那么当h→0时，根据式（1）有：

可以看出天线辐射出了圆极化波，因此，加载EBG反射板的偶极子天线能辐射圆极化波，是一种圆极化天线。

2 仿真结果

我们分别仿真了不加载 EBG结构反射板的天线和图3所示的模型，得到的|S11|对比曲线如图4。

从图4中可以看，单个天线的阻抗带宽可以达到0.77 GHz（4.94～5.73 GHz），增加发射板后的天线阻抗带宽减小到0.65 GHz（4.7～5.35 GHz），可见，增加EBG反射板会减小天线的阻抗带宽。

图5表示了天线最大辐射方向的轴比曲线，从图中可以看出，天线的轴比带宽达到了 0.13 GHz（5.11～5.24 GHz）。从图中看出，天线的增益达到了7.8 dB，而且具有较好的左旋圆极化特性。

从仿真数据看，该偶极子天线能够有效地辐射圆极化波，而且阻抗带宽达到了0.65 GHz，极化带宽达到了0.13 GHz，天线增益达到了7.8 dB。增加反射板后的天线剖面没有明显增加，这样的天线不仅实现了较好的圆极化特性，并且结构简单，剖面低。

图4 天线和天线\EBG的仿真|S11|曲线

图5 仿真天线\EBG轴比

图6表示了天线的辐射方向图。

图6 天线仿真方向图

3 结论

本文利用平面 EBG结构能够影响反射电磁波相位的特性使原本辐射线极化波的偶极子天线辐射圆极化波。设计出的圆极化天线具有结构简单，增益高等优点。如果将图 3中的天线沿 Z轴旋转135°，则可以得到右旋圆极化。本文为圆极化天线设计提供了思路，同时也扩大了 EBG结构的应用范围。