（a） （b）
图1 （a）具有EBG接地的E形贴片天线的俯视图，（b）设计的EBG结构单元两种极化的反射相位
我们在设计中引入了EBG结构来取代传统的金属地板。EBGG的同相反射特性可以拓宽元件的方向图；它的带隙特性可以抑制元件之间的表面波，从而减少相互耦合。如图1（b）所示，对于设计合理的EBG元件，特别是带有通孔的EBG元件，这两个独特的特性可以在相同的工作频带内重合，再加上设计合理的元件方向图，可以实现紧凑型天线阵列的广角扫描。
图2（a）三种天线单元方向图
图2（b）三种天线单元的S参数
（a）
（b） （c）
图3 （a）两个基于EBG结构的天线的等效电路模型，电路模型和仿真模型的S参数（b）幅度（c）相位对比
（a）
（b） （c）
图4 （a）天线阵列的爆炸图和层叠图，（b）所加工的天线阵列的实物，（c）辐射方向图测量环境
为了验证仿真的正确性，整个天线阵列采用了多层PCB技术进行了加工和实测，同时加工了基于EBG结构和普通地板(PEC)结构的两款天线阵列，两个阵列中天线单元的仿真和测量S参数如图5所示。具有EBG结构的天线阵列可以覆盖24.2GHz-27.5GHz的频带，其单元间的隔离度在整个工作频带内超过17dB。
图5 天线阵的仿真S参数（a）具有EBG结构，（b）不具有EBG结构
天线阵列的波束扫描仿真在电磁仿真软件HFSS中进行，阵列的辐射性能在朗普达单探头测试系统LMD-MTS-112[2]进行测试，采用了棱研科技的BBoxTM One[3]波束成型控制器对每一个端口进行独立的幅相控制，辐射方向图的测量环境如图4(c)中所示。所提出的具有EBG结构的天线阵列的峰值增益比对应的普通阵列的峰值增益高2.6dB，且具有EBG结构的天线阵列在该方向上的扫描角比对应阵列的扫描角提升了至少15°(以3dB扫描损耗计)。
(a)
(b)
图6 θ=90°平面内天线阵列的二维波束扫描方向图（a）具有EBG结构，（b）不具有EBG结构
根据3GPP第16号决议，为了更好地量化所设计的基于EBG结构的天线阵列的波束覆盖能力，我们还研究了其在设备基板上不同位置放置时的覆盖效率，从图7中可以看出，双天线阵列配置的性能优于单天线阵列配置的整体波束覆盖效率约2dB，而对于所有三种双天线阵列配置，可以观察到其中50%的波束覆盖效率优于7dBi。
图7 基于EBG结构的天线阵列在手机上的布局及天线阵列的波束覆盖效率
该工作所提出的天线阵列工作在商用5G毫米波频段，且其具有较小的体积、较佳的回波损耗、隔离和波束控制特性。它可以覆盖24.2-27.5GHz的频带，实现±75°的波束扫描能力。此外对天线阵列的波束扫描和其波束特性进行了详细的分析，采用两个天线模块的阵列基本可以满足毫米波通信的要求，所提出的广角波束控制阵列有望应用于5G移动终端或其他毫米波通讯设备中。
Ref.
[1]L. Zhao, Y. He, G. Zhao, X. Chen, G. -L. Huang and W. Lin, "Scanning AngleExtension of a Millimeter Wave Antenna Array using Electromagnetic Band GapGround," IEEE Transactions onAntennas and Propagation, early access, 2022.
网址：
https://ieeexplore.ieee.org/document/9751396
[2]Lampda communication technology. Accessed: Mar.2020. [Online]. Available:http://www.lambdacomm.com/ index.php/services/
[3]TMYTEK Phase Modulator-BBOX One. Accessed: Mar. 2020. [Online]. Available:http://www.tmytek.com/bbox.
作者：赵鲁豫，何宇奇等
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