基于EBG结构的方向图可重构天线设计

　　1 引言

　　波束可控天线在卫星、移动电视、雷达系统等领域中应用广泛。文献都展开了对天线的辐射方向图控制的研究。文献中，一种矩形环状的天线被提出，这种天线上包含了4个馈电点，通过改变馈电点的位置得到四个指向不同方向的波束。一种星型天线可以形成波束偏移的方向图和圆环状方向图。文献中介绍了一种环形缝隙天线，将这种天线与地板短路，达到波束偏移的目的。可重构天线通过改变自身结构，重构天线的谐振频率、辐射方向图、极化等特性。可重构天线的概念解决了系统的造价和重量等现实的问题。文献［4］中提出一种方向图可重构天线，通过开关的控制使得波束指向四个不同的方向。PIN二极管开关经常被用于改变天线的物理结构或者尺寸。

　　近些年，电磁带隙 （EBG） 结构在天线领域中有着广泛的应用 。 EBG 结构用于降低天线单元间的互耦。EBG结构在天线的设计中用于获得更宽的带宽和高效率。同样EBG结构可以用于控制天线的辐射方向图。

　　本文提出了一种基于EBG结构的新型U型缝隙微带天线。EBG 结构代替了部分金属接地板，由于EBG结构的引入，天线贴片上的电流得到了有效控制。通过测试，天线的工作频率为5.5GHz，辐射的最大增益出现在22°为7.75 dBi 。通过参数分析发现，天线波束的偏移角度与EBG结构有关。根据这一特点，提出了天线的方向图可重构，提出了设计方案，并通过仿真验证其可行性。

　　2 天线单元的设计和结果

　　新型的U型缝隙微带天线的示意图如图1所示。微带天线的部分金属接地板被EBG结构所替代。U型缝隙微带天线的尺寸如图2所示。介质基板为Arlon AD 270，相对介电常数εr1=2.7 ，介质厚度h=3.5mm。如图3所示，EBG结构在 ［11］ 中提出。EBG结构的详细尺寸如下： W=0.12λ0， g=0.02λ0， h=0.04λ0， r=0.005λ0， εr2=2.2， λ0=50mm。

　　

　　（a） 三维视图

　　

　　（b） 侧视图

　　图1 U型缝隙微带天线结构示意图

　　U型缝隙微带天线具有调节变量多的优点，可以通过优化达到阻抗匹配。图4为天线反射系数的仿真及测试结果。与仿真相比测试结果带宽更窄，中心频率5.5GHz，带宽从4.99GHz-5.63 GHz。图5为微带天线单元在频率5.5GHz仿真和测试的辐射方向图对比，仿真时最大的辐射方向为20°，增益为7.6 dBi；测试时角度偏移方向为22°，增益为7.75 dBi。波束产生偏移原因是EBG结构改变了微带天线贴片上的电流分布。

　　天线波束的偏移角度可以通过EBG结构排数来控制。基于以上研究结果，增加或者减少EBG排数能够改变天线的最大辐射方向。不同EBG结构的仿真和测试辐射方向图如图6和图7所示。表1将EBG的分布与角度、增益的测试数据列出，其中括号内的数值为仿真结果。

　　

　　图2 U型缝隙贴片俯视图

　　

　　图3 EBG结构示意图

　　

　　图4 S11仿真与测试比较

　　

　　图5 天线单元辐射方向图

　　

　　图6 不同EBG分布仿真辐射方向图

　　

　　图7 不同EBG分布测试辐射方向图

　　表1 EBG分布与增益角度表

　　EBG排数  角度（°） 增益（dBi）

           一排        16（10）      7.95（8）

              三排        22（20）     7.75（7.6）

　           四排       31（36）    7.85（7.34）

　　3 方向图可重构天线的研究

　　EBG贴片与附近金属地的接通与断开能够改变辐射方向图，即设计出一种方向图可重构微带天线单元。本文采用两组PIN二极管开关控制EBG贴片与金属地之间的通断，开关1和开关2的位置如图8所示。为了准确的模拟实际开关，在仿真中导通状态下的PIN二极管等效为3Ω的电阻，截至状态的二极管可以等效为0.025pF的电容。两组开关的接通和断开可以得到四种不同的辐射方向图，如图9所示。当两组开关都导通时等效于天线两旁EBG皆为金属地，方向图不发生偏移；开关都断开时，相当于4排EBG同时工作，最大增益出现在31°。当开关1导通，开关2断开时波束的偏移角度为23°；与之相反，当开关2导通，开关1断开时，即只有3排EBG在工作时偏移角度为36°。

　　

　　图8 PIN二极管位置示意图

　　

　　图9 开关分别通断的四种情况下天线辐射方向图

　　4 结论

　　在本文提出了一种新型的U型缝隙微带天线。使用了EBG结构替代了部分微带天线的地板可实现最大的辐射方向的控制。将PIN二极管作为开关控制EBG贴片与金属地之间的接通和断开，达到控制天线波束指向的目的，由此可实现方向图可重构天线单元。