新型光子带隙宽带双极化微带天线设计

第３６卷第２期　

２０１３年４月　电子器件　

Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　Ｖｏ１．３６　Ｎｏ．２　

Ａｐｒ．２０１３　

Ａ　Ｎｏｖｅｌ　ＰＢＧ　Ｗｉｄｅｂａｎｄ　Ｄｕａｌ－Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ　Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ　Ａｎｔｅｎｎａ　Ｄｅｓｉｇｎ　

ＹＵＡＮ　Ｈｏｎｇｗｅｉ　，ＷＡＮＧ　Ｃｈｕｎｔｉｎｇ，ＤＵ　Ｂｉａｏ　

（Ｔｈｅ　５４ｔｈ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｇｒｏｕｐ　Ｉｎｃ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ　０５００００，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｗｉｄｅｂａｎｄ　ｄｕａ１．ｐｏｌａｒｉｚｅｄ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ　ａｎｔｅｎｎａ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＰＢＧ　ｈｉｇｈ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　

ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ　ＰＢＧ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ａ　ｇａｐ－ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ　ａｎｔｅｎｎａ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ａ　ｂａｎｄｗｉｄｔｈ　ｏｆ　２２％ｆｏｒ　ｔｈｅ　

Ｃ－ｂａｎｄ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ＰＢＧ　ｈｉｇｈ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｐｌａｙｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｒｏｌｅ　ｉｎ　

ｒｅｄｕｃｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｒｏｆｉｌｅ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　ｂａｎｄｗｉｄｔｈ　ａｎｄ　ｇａｉｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｎｔｅｎｎａ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｔｈｅ　

ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｉｓｏｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ＣＲＯＳＳ　ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｍｅｔａｌ　ｇｒｏｕｎｄ．Ｔｈｅ　ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｉｓｏｌａｔｉｏｎ　

ａｎｄ　ｃｒｏｓｓ　ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｃａｎ　ｂｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｂｙ　８　ｄＢ　ａｎｄ　４　ｄＢ　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｂａｎｄｗｉｄｔｈ　ｒａｎｇｅ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ　ａｎｔｅｎｎａ；ＰＢＧ；ｗｉｄｅｂａｎｄ　ｄｕａｌ—ｐｏｌａｒｉｚｅｄ；ｃｒｏｓｓ　ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ；ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｉｓｏｌａｔｉｏｎ　

ＥＥＡＣＣ：５２６０　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５—９４９０．２０１３．０２．００５　

新型光子带隙宽带双极化微带天线设计　

袁宏伟　，汪春霆，杜　彪　

（中国电子科技集团第５４研究所，石家庄０５００００）　

摘　要：设计了一种基于光子带隙（ＰＢＧ）高阻表面的宽带双极化微带天线。将ＰＢＧ高阻表面地板应用到设计的缝隙耦合微　

带天线上，实现了Ｃ波段阻抗带宽为２２％（ＶＳＷＲ＜２）的宽带双极化天线单元。仿真结果表明，与加金属地板的情况相比较，　

设计得到的ＰＢＧ高阻表面在减缩剖面的同时，改善了天线的阻抗带宽、增益、端１：３隔离度和交叉极化，其中端口隔离度最大可　

以提高约８　ｄＢ、轴向交叉极化可以提高约４　ｄＢ。　

关键词：微带天线；光子带隙；宽带双极化；极化隔离度；交叉极化　

中图分类号：ＴＮ８２２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００５—９４９０（２０１３）０２—０１５８—０５　

频谱资源日益紧张的现代卫星通信领域迫切需　

要天线具有双极化功能，因为双极化可使它的通信　

容量增加一倍。微带天线以重量轻、低剖面、易于制　

造，且易与飞行器表面共形的优点而被越来越广泛　

地应用¨　Ｊ，利用它实现双极化天线一直是人们热　

衷的课题。但微带天线又因其频带窄，效率低，增益　

低的缺点在应用上受到种种限制［６　３。目前对双极　

化微带天线的设计主要围绕宽带、多频段、小型化、　

提高极化端口隔离度和降低交叉极化电平这几个　

方面。　

使用缝隙耦合馈电的方法可以拓展微带天线带　

宽　］，但会引起很大的背向辐射。Ｆ．Ｒｏｓｔａｎ＿９　等　

将两个矩形缝隙排成Ｌ形，这种结构单元的两极化　

端口隔离度为２０　ｄＢ，交叉极化为一１５　ｄＢ～１８　ｄＢ。　

Ｃ．Ｈ．Ｔｓａｏ［１０］等将两个矩形缝隙相互垂直交叉形成　

收稿日期：２０１２—０９—１６　修改日期：２０１２－１０－０６　十字型，其隔离度为２２　ｄＢ左右，交叉极化电平可达　

－２５　ｄＢ以下。Ｆ．Ｆ．Ｄｕｂｒｏｖｋａ¨　等将两个矩形缝隙　

排成Ｔ形，减少两个缝隙的耦合，两极化端口隔离　

度为４０　ｄＢ左右，交叉极化电平可达一２２　ｄＢ。以上　

几种方式为了降低后瓣电平并提高天线的增益，均　

在离开缝地板四分之一波长处加一块金属反射板，　

这样会相应地增大了天线的结构。加上地板后，其　

上感应出表面电流，传播表面波并参与辐射，同时，　

由于地板有限大，表面波会产生很强的多路辐射效　

应，在一定程度上降低了极化纯度，恶化了极化隔离　

度和交叉极化。　

本文在Ｆ．Ｆ．Ｄｕｂｒｏｖｋａ研究的基础上，从同时改　

善带宽、增益、降低剖面并提高天线的极化纯度出　

发，提出一种新型基于光子带隙（ＰＢＧ）　副高阻表　

面的宽带双极化微带天线。

　第２期　袁宏伟，汪春霆等：新型光子带隙宽带双极化微带天线设计　１６１　

厚度的情况下加普通地板的双极化微带天线单元的　

Ｅ面和Ｈ面主极化和交叉极化的增益方向图如图８　

（ａ）和８（ｂ）所示。由图可见，水平极化条件下，加　

普通地板的双极化微带天线单元主极化在前向最大　辐射方向上的增益为８．４３　ｄＢ，最大辐射方向上的　

交叉极化为一２１．３　ｄＢ；加ＰＢＧ高阻地板的主极化在　

前向最大辐射方向上的增益为８．５６　ｄＢ，且最大辐　

射方向上的交叉极化为一２５．２　ｄＢ。　

ｖ２　

＼，／０一　２１ｄ＼、　二二　／ｌ５ｏ　

（ａ）Ｅ面　（ｂ）Ｈ面　

图７　垂直极化加ＰＢＧ高阻表面地板与加普通地板的Ｅ面与Ｈ面主极化与交叉极化　

０　…＿－Ｐ丑Ｇ地板交叉极化　

２１０＼、　二　化　

２１０＼＼　二　ｌ８０　ｌ８０　（ａ）Ｅ面　（ｂ）Ｈ面　

图８水平极化加ＰＢＧ高阻表面地板Ｅ面与Ｈ面的主极化与交叉极化　

可以看出，ＰＢＧ的引入使交叉极化降低３．９　ｄＢ，　

且ＰＢＧ结构地板较普通的地板可以提高前向增益，　

可提高０．１３　ｄＢ。　

３　结束语　

本文提出了一种基于ＰＢＧ高阻表面新型光子　

带隙宽带双极化微带天线，实现Ｃ波段以５．２　ＧＨｚ　

为中心频点２２％的阻抗带宽（Ｓ１１＜一１０　ｄＢ）。相比　

于Ｆ．Ｆ．Ｄｕｂｒｏｖｋａ设计的缝隙耦合微带天线，地板由　

距离馈电线四分之一波长降为十分之一波长，两极　

化端口隔离度降低了８　ｄＢ左右，交叉极化电平降低　

了３　ｄＢ左右。与相同厚度不加ＰＢＧ地板的情况相比　

较，该结构实现了双极化微带天线带宽和增益的提　

高，且在带宽范围内，双极化微带天线的极化隔离度、　

交叉极化得到了明显的改善，文章从理论上分析了该　

天线性能改进的具体原因。仿真结果表明这种新型　

基于ＰＢＧ结构的宽带双极化微带天线的有效性。　参考文献：　阳Ｇ地板交叉极化　阳Ｇ地板主极化　普通地板交叉极化　普通地板主极化　

９０　

Ｏ　

［１］钟顺时．微带天线理论与应用［Ｍ］．西安：西安电子科技大学　

出版社．　［２］Ｐｅｒｌｎａｎａ　Ｃ　Ｇ，Ｍｕｎｉｒ　Ａ．Ｐｒｉｎｔｅｄ　Ｍｕｈｉｂａｎｄ　Ａｎｔｅｎｎａ　ｆｏｒ　Ｍｏｂｉｌｅ　ａｎｄ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ【Ｊ］．Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，　

Ｓｅｒｖｉｃｅｓ，ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ（ＴＳＳＡ），２０１　１　６ｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　

Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２０１　１，２３６－２４０．　［３］Ｒａｍｉｒｅｚ　Ｒ　Ｒ，Ｄｅ　Ｆｌａｖｉｉｓ　Ｆ，Ａｌｅｘｏｐｏｕｌｅｓ　Ｎ　Ｇ．Ｓｉ　ｅ．Ｆｅｅｄ　Ｃｉｒｃｕｌａｒｌｙ　Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ　Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ　Ｒｉｎｇ　Ａｎｔｅｎｎａ　ａｎｄ　Ａｒｒａｙｓ［Ｊ］．Ａｎｔｅｎｎａｓ　ａｎｄ　Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ，ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ，２０００，４８（７）：１０４０－１０４７．　［４］Ｆａｎ　Ｊｉｎ，Ｚｈａｎ　Ｄｅｚｈｉ，Ｊｉｎ　Ｃｈｅｎｇｊｉｎ，ｅｔ　ａ１．Ｗｉｄｅｂａｎｄ　Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ　

Ｂａｎｄｐａｓｓ　Ｆｉｌｔｅｒ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｑｕａｄｒｕｐｌｅ　Ｍｏｄｅ　Ｒｉｎｇ　Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ［Ｊ］．Ｍｉ・　

ｃｒｏｗａｖｅ　ａｎｄ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，ＩＥＥＥ，２０１２，２２（７）：　３４８—３５０．　

［５］　Ｂａｓｋａｒ　Ｄ，Ｋｕｍａｒ　Ｃ　Ｒ　Ａ，Ｓｕｂｒａｍｏｎｉａｍ　Ｐ．Ａ　Ｌｉｎｅａｒｌｙ　Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ　Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ　Ｐａｔｃｈ　Ａｎｔｅｎｎａ　Ａｒｒａｙ　Ｕｓｉｎｇ　Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ　Ｌｉｎｅ　Ｆｅｅｄ［ｃ］／／　

Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ（ＩＣＣＣＡ），２０１２　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２０１２．１—４．　Ｏ　Ｏ　０　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　０　０　Ｏ　Ｏ　Ｏ　●　

Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　０　●　Ｏ　Ｏ　Ｏ　０　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　●　●

　电　子　器件　第３６卷　

ｍａｒ　Ｇ．Ｄｕａｌ　Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ　Ｃｉｒｃｕｌａｒ　Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ　Ｓｐａｃｅ一　

￣ｔｒｒａｙ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｗｉｔｈ　Ｈｉｇｈ　Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｂｒｏａｄ　／Ｄｅｖｉｃｅｓ．Ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ａｎｄ　Ｓｙｓｔｅｍｓ（ＩＣＤＣＳ），２０１２　Ｉｎ－　

￣ｒｅｎｃｅ，２０１２，５４０—５４４．　

１ｄｉ　Ｍ．Ｄａｎｉｅｌ　Ｊ　Ｐ．Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｌｉｎｅ　Ａｎａｌｙ￣ｓ　ｏｆ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｍｉｃｒｏｓｔｆｉｐ　Ａｎｔｅｎｎａ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｌｅｅｔｒｏｎ　

５）：１４０６—１４０８．　Ｇ，Ｒａｙ　Ｋ　Ｐ，ｅｔ　ａ１．Ｉｍｐｒｏｖｅｄ　Ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｆｏｒ　Ａｐｅｒｔｕｒｅ　

￣ｔｆｉｐ　Ａｎ￣ｎｎａｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　ｏｎ　Ａｎｔｅｎｎａ　

４４（８）：１１９６—１１９８．　，ｅｃｋ　Ｗ．Ｄｕａｌ　Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ　Ｍｉｃｒｏｓｔｆｉｐ　Ｐａｗｈ　Ａｒｒａｙｓ　ｆｏｒ　ｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｐａｃｅｂｏｍｅ　Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ　Ａｐｅｒｔｕｒｅ　Ｒａｄａ￣　

ｏｎａｌ　Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｒｅｍｏｔｅ　Ｓｅｎｓｉｎｇ　Ｓｙｍｐ．，　

：２２７７－２２７９．　１ｇ　Ｙ　Ｍ，Ｋｉｌｂｕｒｇ　Ｆ，ｅｔ　ａ１．Ａｐｅｒｔｕｒｅ—Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｐａｔｃｈ　

Ｙｉｄｅ．Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ　ａｎｄ　Ｄｕａ１．．Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　Ｃａｐａｂｉｌｉｔｉｅｓ　

袁宏伟（１９８２一），男，汉族，重庆忠县　

人，博士，中国电子科技集团第５４研　

究所工程师，研究方向为电磁散射，超　

宽带天线技术，ｙｕａｎｈｗ１９８２＠ｓｉｎａ．ｃｎ。　［Ｃ］／／！ＥＥＥ　Ａｎｔｅｎｎａｓ　Ｐｍｐａｇａｔ．Ｓｙｍｐ．，Ｓｙｒａｃｕｓｅ，ＮＹ，１９８８，３：　

９３６—９３９．　［１　１］Ｄｕｂｒｏｖｋａ　Ｆ　Ｆ，Ｍａｒｔｙｎｙｕｋ　Ｓ　Ｙ．Ｗｉｄｅｂａｎｄ　Ｄｕａｌ　Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ　Ｐｌａｎａｒ　Ａｎｔｅｎｎａ＇Ａｒｒａｙｓ［Ｃ］／／Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ａｎｔｅｎｎａ　Ｔｈｅｏｒｙ　

ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，Ｓｅｖａｓｔｏｐｏｌ，Ｕｋｒａｉｎｅ，２００３，９１－９６．　［１２］范瑾，邓云凯，罗积润，等．新型基于ＰＢＧ结构的宽带高增益贴　

片天线及阵列技术研究［Ｊ］．电子器件，２０１０，３３（３）：３２２－３２６．　

［１３］Ｘｉａｏ　Ｊｉａｎｋａｎｇ，Ｌｉｕ　Ｗｅｉｎａ，Ｃｈｕ　Ｑｉｎｇｘｉｎ．Ａ　Ｎｅｗ　ＰＢＧ　Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ　

Ｐａｔｃｈ　Ａｎｔｅｎｎａ［Ｃ］／／Ａｎｔｅｎｎａｓ，Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ＥＭ　Ｔｈｅｏｒｙ，　２００８．ＩＳＡＰＥ　２００８．８ｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，２００８，２２９—２３２．　

［１４］Ｗｕ　Ｙｉｑｉａｎｇ，Ｆｕ　Ｔａｏ．Ｔｈｅ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ａ　Ｐａｔｃｈ　Ａｎｔｅｎｎａ　ｗｉｔｈ　ＰＢＧ　

Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ［Ｃ］／／Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，　２００９　Ｔｈｉｒｄ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｎ，２００９，５６５－５６７．　

［１５］Ｐａｖｌｉｃｋｏｖｓｋｉ　Ｄ，Ｗａｔｅｒｈｏｕｓｅ　Ｒ　Ｂ．Ｓｈｏｒｔｅｄ　Ｍｉｃｒｏｓｔｆｉｐ　Ａｎｔｅｎｎａ　ｏｎ　ａ　Ｐｈｏｔｏｎｉｃ　Ｂａｎｄｇａｐ　Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ［Ｊ］．Ａｎｔｅｎｎａｓ　ａｎｄ　Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ，ＩＥＥＥ　

Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ，２００３，５１（９）：２４７２—２４７５．