高增益Ka波段EBG天線陣列的設(shè)計(jì)

葉文熙+李正軍

摘 要： 電磁帶隙（EBG）天線是一種可以提高天線輻射口徑及增益的新型天線，以FSS作為EBG反射面，角錐喇叭作為輻射源，設(shè)計(jì)了一種可以工作在29.7～30.2 GHz，最大增益為23 dB的EBG天線，并對(duì)7個(gè)喇叭陣列進(jìn)行了仿真分析，證明了該種EBG天線具有良好的工作性能，可以作為小型化單口徑反射面多波束天線的輻射源，用于減小通信衛(wèi)星的重量。

關(guān)鍵詞： EBG； 角錐喇叭； 高增益天線； 天線陣列

中圖分類號(hào)： TN82?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）07?0076?03

Design of high?gain EBG array antenna working in Ka band

YE Wen?xi， LI Zheng?jun

（Xian Branch， Chinese Academy of Space Technology， Xian 710100， China）

Abstract： Electromagnetic bandgap （EBG） antenna is a new antenna which can improve its radiation aperture and gain. A EBG antenna with FSS as its reflecting surface and pyramidal horn as its radiation source was designed. It can work in 29.7～30.2 GHz and its maximum gain is 23 dB. Simulation analysis of seven horn arrays was performed. The result proves that the EBG antenna has perfect working performance. The antenna can be used as the radiation source of multi?beam antenna with miniaturization single?aperture reflecting surface to reduce the weight of communication satellite.

Keywords： EBG； pyramidal horn； high?gain antenna； antenna array

0 引 言

隨著衛(wèi)星通信的容量和傳輸速率的不斷提高，多波束天線由于能夠以高增益來(lái)覆蓋較大的地面區(qū)域，而且又能根據(jù)需要調(diào)整波束形狀，因而受到了各國(guó)的廣泛重視。反射面多波束天線是目前國(guó)內(nèi)外采用較多的天線，其中單口徑單饋源天線系統(tǒng)最為簡(jiǎn)單，但是傳統(tǒng)口徑天線的有效輻射口徑通常小于物理口徑，因此多波束饋源中，天線單元的增益和最小間距成正比關(guān)系，而在實(shí)際應(yīng)用中常常需要較大的單元增益和較小的單元間距，以提高波束覆蓋的邊緣增益，因此利用傳統(tǒng)饋源陣來(lái)組成單口徑單饋源多波束系統(tǒng)，天線性能較差[1]。所以，本文的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)一種小口徑、高增益的輻射源用以改善傳統(tǒng)的單口徑單饋源多波束系統(tǒng)。

電磁帶隙（Electromagnetic Band?gap ，EBG）天線首先由Cheype C等人于2002年提出[2]。它是一種可以提高天線輻射口徑及增益的新型天線，天線由全反射板和與之平行的部分反射表面組成，輻射源可以是各種形式的小口徑天線。

其中，EBG反射板有兩個(gè)重要作用[3]：一是EBG結(jié)構(gòu)可以禁止某些頻帶內(nèi)電磁波的傳播，從而可以有效地抑制表面波，提高天線的輻射性能；二是可以起到一種引導(dǎo)電磁波傳播的作用，EBG結(jié)構(gòu)引入缺陷模式后，破壞了原來(lái)的周期性，這時(shí)電磁帶隙中會(huì)出現(xiàn)很窄的頻率窗，引導(dǎo)頻率在頻率窗范圍里的電磁波繼續(xù)傳播，從而顯著地提高天線的增益。而對(duì)于EBG天線的輻射源，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)微帶天線的研究比較多，而對(duì)于喇叭天線的應(yīng)用比較少。與微帶天線相比，用喇叭天線作為EBG天線的輻射源具有更低的副瓣和更高的發(fā)射功率。因此本文利用電磁帶隙結(jié)構(gòu)的特性，設(shè)計(jì)了一種通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)饋電，在喇叭天線的上方加載EBG結(jié)構(gòu)反射板，使得天線增益達(dá)到23 dB，且工作在29.7～30.2 GHz的EBG天線，并研究了其陣列特性。

1 輻射源的設(shè)計(jì)

EBG天線的設(shè)計(jì)，對(duì)輻射源的選擇和設(shè)計(jì)是很重要的。本文中選取角錐喇叭作為輻射源，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)BJ?260饋電。喇叭的口徑大小為[0.87λ0×0.87λ0][（λ0]為空氣中的波長(zhǎng)），為了使喇叭與EBG反射板之間的阻抗匹配，在喇叭口徑處添加了厚度為0.4 mm的膜片，膜片結(jié)構(gòu)如圖1所示，在仿真時(shí)，在諧振點(diǎn)處，喇叭加上膜片的反射系數(shù)應(yīng)與喇叭加上EBG反射板時(shí)的反射系數(shù)共軛匹配。

圖1 膜片結(jié)構(gòu)與尺寸

2 EBG反射板的設(shè)計(jì)

由于反射板與接地板間形成FP諧振腔，因此諧振腔的[Q]值影響了EBG天線的增益和帶寬，文獻(xiàn)[4]指出隨著[Q]值的變大，天線的增益也隨著變大，相反的是，天線的帶寬隨之變小，因此設(shè)計(jì)合適的EBG反射板是十分必要的。EBG反射板的形式有很多種，在天線設(shè)計(jì)中應(yīng)用比較多的是金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、介質(zhì)板結(jié)構(gòu)和FSS結(jié)構(gòu)，在本文中根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的角度選擇用FSS作為EBG反射板。FSS結(jié)構(gòu)采用在厚度是[λg4]（[λg]為介質(zhì)中的波長(zhǎng)）、介電常數(shù)為4.4的介質(zhì)板上印刷尺寸為[3.4 mm×3.4 mm，]周期為4.6 mm的金屬貼片。其主要的參數(shù)計(jì)算公式如下[5]：

[A2=10D10?λ2ηπ2] （1）

[Q=fΔf-3 dB] （2）

[f=3×1082nl2+mL2+ph2] （3）

式中：[D]表示所希望達(dá)到的增益，單位為dB；[λ]為空氣中的波長(zhǎng)；[η]為所用輻射源的天線效率；[A]為EBG反射板的最小尺寸；[Q]為FP諧振腔的品質(zhì)因數(shù)；[f]為EBG天線的中心頻率；[n，m，p]為整數(shù)，[l，L]可以認(rèn)為等于EBG反射板的最小尺寸，[h]為EBG反射板與接地板之間的距離。

由于只有當(dāng)[n=m=p=1]時(shí)，才能強(qiáng)烈的激發(fā)起EBG的主模，因此由式（3）也可以看出影響EBG天線中心頻率的主要因素是[h。]在本文中[h=]4.75 mm。

3 單個(gè)喇叭加載EBG半反射板

通過(guò)CST MWS的仿真得到EBG天線的輻射性能和[S11]曲線，如圖2所示。

圖2 EBG天線的[S11]曲線及增益曲線

由圖2中可以看出，[S11<-8.5 dB]時(shí)，天線可以工作在29.7～30.2 GHz。且在[f=]30 GHz時(shí)天線的增益最高為23 dB，其方向圖如圖3所示，可以看出天線的副瓣小于-10 dB，比未加EBG反射板時(shí)的喇叭增益高出13 dB。

圖3 f=30 GHz時(shí)天線的方向圖

4 EBG天線陣列

在CST MWS軟件中，仿真了7個(gè)喇叭的EBG天線陣列，如圖4（a）所示，相鄰的喇叭之間通過(guò)旋轉(zhuǎn)膜片進(jìn)行極化隔離如圖4（b）所示，喇叭間距為[1.9λ0]。仿真時(shí)，只給中間的1號(hào)喇叭饋電，周圍的6個(gè)喇叭的波端口不工作，研究此時(shí)的EBG天線的性能，其仿真結(jié)果如圖5所示。

由圖5中可以看出，當(dāng)周圍6個(gè)喇叭存在時(shí)，天線的[S11]曲線變化并不大，但是最大增益由原來(lái)的30 GHz變?yōu)?9.8 GHz，峰值增益由原來(lái)的23 dB變?yōu)?0 dB，如圖6所示。這主要是由于3號(hào)喇叭與1號(hào)喇叭之間并沒(méi)有進(jìn)行極化隔離，由圖7也可以看出[S31<]-15 dB，更多的是因?yàn)槔戎g的互耦影響了天線的最大增益值。但是，天線的增益也比未加EBG反射板時(shí)的喇叭天線增益高出8 dB以上，且天線的副瓣小于-10 dB。

圖4 EBG天線陣列仿真圖及旋轉(zhuǎn)膜片后的俯視圖

圖5 EBG天線陣列的[S11]曲線及增益曲線

圖6 f=29.8 GHz時(shí)天線陣列的方向圖

5 結(jié) 論

本文利用EBG天線重疊口徑的特點(diǎn)，以FSS結(jié)構(gòu)作為EBG反射板，口徑為[0.87λ0×0.87λ0]的角錐喇叭作為輻射源，并進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真，得到該EBG天線單個(gè)喇叭工作時(shí)的最大增益為23 dB且能工作在29.7～30.2 GHz。同時(shí)對(duì)7個(gè)喇叭的天線陣列性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)喇叭間距為19 mm時(shí)，天線的[S11]曲線變化不大，單元間的互耦小于-15 dB，同時(shí)天線的增益比單個(gè)喇叭時(shí)降低了3 dB，這主要是由于天線間的互耦關(guān)系以及EBG反射板尺寸變大所引起的。事實(shí)上，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)對(duì)天線的工作頻帶進(jìn)行頻分復(fù)用，文獻(xiàn)[4]中給出了一種減少陣元間互耦的辦法，即在喇叭的饋電端口添加上濾波器，可以改善EBG天線陣列的性能，使天線的最大增益與單個(gè)喇叭時(shí)天線增益僅少1 dB。因此，本文需要更進(jìn)一步的工作就是，設(shè)計(jì)出一種濾波器，可以改善EBG天線陣元間的互耦，并且綜合反射面研究其多波束的特性。

圖7 EBG天線陣列的S31曲線

綜上，本文所研究的EBG天線具有良好的工作性能，并且可以應(yīng)用在單反射面多波束天線系統(tǒng)中，為將來(lái)小型化衛(wèi)星的設(shè)計(jì)提供一種設(shè)計(jì)方案。

參考文獻(xiàn)

[1] 周欣，張艷君.基于電磁帶隙結(jié)構(gòu)的多波束天線饋源研究[C]//2013年衛(wèi)星有效載荷技術(shù)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.西安：中國(guó)電子學(xué)會(huì)空間電子學(xué)分會(huì)，2013：890?893.

[2] CHEYPE C， SERIER C， THEVENOT M. An electromagnetic bandgap resonator antenna [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2002， 50（9）： 1285?1290.

[3] 劉震國(guó)，葛志晨.Fabry?Perot諧振天線研究綜述[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2009，32（9）：70?75.

[4] CHANTALT R， MEBUDIER C， THEVENOT M， et al. Enhanced EBG resonator antenna as feed of a reflector antenna in the Ka band [J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters， 2008， 7： 349?353.

[5] LEGER L， SERIER C， CHANTALAT R， et al. 1D dielectric electromagnetic band gap （EBG） resonator antenna design [J]. Annales des télécommunications， 2004， 59（3/4）： 242?260.

[6] 趙后亮，尹家賢.一種S波段寬帶微帶貼片天線陣列的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（23）：109?111.

[Q=fΔf-3 dB] （2）

[f=3×1082nl2+mL2+ph2] （3）

式中：[D]表示所希望達(dá)到的增益，單位為dB；[λ]為空氣中的波長(zhǎng)；[η]為所用輻射源的天線效率；[A]為EBG反射板的最小尺寸；[Q]為FP諧振腔的品質(zhì)因數(shù)；[f]為EBG天線的中心頻率；[n，m，p]為整數(shù)，[l，L]可以認(rèn)為等于EBG反射板的最小尺寸，[h]為EBG反射板與接地板之間的距離。

由于只有當(dāng)[n=m=p=1]時(shí)，才能強(qiáng)烈的激發(fā)起EBG的主模，因此由式（3）也可以看出影響EBG天線中心頻率的主要因素是[h。]在本文中[h=]4.75 mm。

3 單個(gè)喇叭加載EBG半反射板

通過(guò)CST MWS的仿真得到EBG天線的輻射性能和[S11]曲線，如圖2所示。

圖2 EBG天線的[S11]曲線及增益曲線

由圖2中可以看出，[S11<-8.5 dB]時(shí)，天線可以工作在29.7～30.2 GHz。且在[f=]30 GHz時(shí)天線的增益最高為23 dB，其方向圖如圖3所示，可以看出天線的副瓣小于-10 dB，比未加EBG反射板時(shí)的喇叭增益高出13 dB。

圖3 f=30 GHz時(shí)天線的方向圖

4 EBG天線陣列

在CST MWS軟件中，仿真了7個(gè)喇叭的EBG天線陣列，如圖4（a）所示，相鄰的喇叭之間通過(guò)旋轉(zhuǎn)膜片進(jìn)行極化隔離如圖4（b）所示，喇叭間距為[1.9λ0]。仿真時(shí)，只給中間的1號(hào)喇叭饋電，周圍的6個(gè)喇叭的波端口不工作，研究此時(shí)的EBG天線的性能，其仿真結(jié)果如圖5所示。

由圖5中可以看出，當(dāng)周圍6個(gè)喇叭存在時(shí)，天線的[S11]曲線變化并不大，但是最大增益由原來(lái)的30 GHz變?yōu)?9.8 GHz，峰值增益由原來(lái)的23 dB變?yōu)?0 dB，如圖6所示。這主要是由于3號(hào)喇叭與1號(hào)喇叭之間并沒(méi)有進(jìn)行極化隔離，由圖7也可以看出[S31<]-15 dB，更多的是因?yàn)槔戎g的互耦影響了天線的最大增益值。但是，天線的增益也比未加EBG反射板時(shí)的喇叭天線增益高出8 dB以上，且天線的副瓣小于-10 dB。

圖4 EBG天線陣列仿真圖及旋轉(zhuǎn)膜片后的俯視圖

圖5 EBG天線陣列的[S11]曲線及增益曲線

圖6 f=29.8 GHz時(shí)天線陣列的方向圖

5 結(jié) 論

本文利用EBG天線重疊口徑的特點(diǎn)，以FSS結(jié)構(gòu)作為EBG反射板，口徑為[0.87λ0×0.87λ0]的角錐喇叭作為輻射源，并進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真，得到該EBG天線單個(gè)喇叭工作時(shí)的最大增益為23 dB且能工作在29.7～30.2 GHz。同時(shí)對(duì)7個(gè)喇叭的天線陣列性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)喇叭間距為19 mm時(shí)，天線的[S11]曲線變化不大，單元間的互耦小于-15 dB，同時(shí)天線的增益比單個(gè)喇叭時(shí)降低了3 dB，這主要是由于天線間的互耦關(guān)系以及EBG反射板尺寸變大所引起的。事實(shí)上，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)對(duì)天線的工作頻帶進(jìn)行頻分復(fù)用，文獻(xiàn)[4]中給出了一種減少陣元間互耦的辦法，即在喇叭的饋電端口添加上濾波器，可以改善EBG天線陣列的性能，使天線的最大增益與單個(gè)喇叭時(shí)天線增益僅少1 dB。因此，本文需要更進(jìn)一步的工作就是，設(shè)計(jì)出一種濾波器，可以改善EBG天線陣元間的互耦，并且綜合反射面研究其多波束的特性。

圖7 EBG天線陣列的S31曲線

綜上，本文所研究的EBG天線具有良好的工作性能，并且可以應(yīng)用在單反射面多波束天線系統(tǒng)中，為將來(lái)小型化衛(wèi)星的設(shè)計(jì)提供一種設(shè)計(jì)方案。

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[6] 趙后亮，尹家賢.一種S波段寬帶微帶貼片天線陣列的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（23）：109?111.

[Q=fΔf-3 dB] （2）

[f=3×1082nl2+mL2+ph2] （3）

式中：[D]表示所希望達(dá)到的增益，單位為dB；[λ]為空氣中的波長(zhǎng)；[η]為所用輻射源的天線效率；[A]為EBG反射板的最小尺寸；[Q]為FP諧振腔的品質(zhì)因數(shù)；[f]為EBG天線的中心頻率；[n，m，p]為整數(shù)，[l，L]可以認(rèn)為等于EBG反射板的最小尺寸，[h]為EBG反射板與接地板之間的距離。

由于只有當(dāng)[n=m=p=1]時(shí)，才能強(qiáng)烈的激發(fā)起EBG的主模，因此由式（3）也可以看出影響EBG天線中心頻率的主要因素是[h。]在本文中[h=]4.75 mm。

3 單個(gè)喇叭加載EBG半反射板

通過(guò)CST MWS的仿真得到EBG天線的輻射性能和[S11]曲線，如圖2所示。

圖2 EBG天線的[S11]曲線及增益曲線

由圖2中可以看出，[S11<-8.5 dB]時(shí)，天線可以工作在29.7～30.2 GHz。且在[f=]30 GHz時(shí)天線的增益最高為23 dB，其方向圖如圖3所示，可以看出天線的副瓣小于-10 dB，比未加EBG反射板時(shí)的喇叭增益高出13 dB。

圖3 f=30 GHz時(shí)天線的方向圖

4 EBG天線陣列

在CST MWS軟件中，仿真了7個(gè)喇叭的EBG天線陣列，如圖4（a）所示，相鄰的喇叭之間通過(guò)旋轉(zhuǎn)膜片進(jìn)行極化隔離如圖4（b）所示，喇叭間距為[1.9λ0]。仿真時(shí)，只給中間的1號(hào)喇叭饋電，周圍的6個(gè)喇叭的波端口不工作，研究此時(shí)的EBG天線的性能，其仿真結(jié)果如圖5所示。

由圖5中可以看出，當(dāng)周圍6個(gè)喇叭存在時(shí)，天線的[S11]曲線變化并不大，但是最大增益由原來(lái)的30 GHz變?yōu)?9.8 GHz，峰值增益由原來(lái)的23 dB變?yōu)?0 dB，如圖6所示。這主要是由于3號(hào)喇叭與1號(hào)喇叭之間并沒(méi)有進(jìn)行極化隔離，由圖7也可以看出[S31<]-15 dB，更多的是因?yàn)槔戎g的互耦影響了天線的最大增益值。但是，天線的增益也比未加EBG反射板時(shí)的喇叭天線增益高出8 dB以上，且天線的副瓣小于-10 dB。

圖4 EBG天線陣列仿真圖及旋轉(zhuǎn)膜片后的俯視圖

圖5 EBG天線陣列的[S11]曲線及增益曲線

圖6 f=29.8 GHz時(shí)天線陣列的方向圖

5 結(jié) 論

本文利用EBG天線重疊口徑的特點(diǎn)，以FSS結(jié)構(gòu)作為EBG反射板，口徑為[0.87λ0×0.87λ0]的角錐喇叭作為輻射源，并進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真，得到該EBG天線單個(gè)喇叭工作時(shí)的最大增益為23 dB且能工作在29.7～30.2 GHz。同時(shí)對(duì)7個(gè)喇叭的天線陣列性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)喇叭間距為19 mm時(shí)，天線的[S11]曲線變化不大，單元間的互耦小于-15 dB，同時(shí)天線的增益比單個(gè)喇叭時(shí)降低了3 dB，這主要是由于天線間的互耦關(guān)系以及EBG反射板尺寸變大所引起的。事實(shí)上，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)對(duì)天線的工作頻帶進(jìn)行頻分復(fù)用，文獻(xiàn)[4]中給出了一種減少陣元間互耦的辦法，即在喇叭的饋電端口添加上濾波器，可以改善EBG天線陣列的性能，使天線的最大增益與單個(gè)喇叭時(shí)天線增益僅少1 dB。因此，本文需要更進(jìn)一步的工作就是，設(shè)計(jì)出一種濾波器，可以改善EBG天線陣元間的互耦，并且綜合反射面研究其多波束的特性。

圖7 EBG天線陣列的S31曲線

綜上，本文所研究的EBG天線具有良好的工作性能，并且可以應(yīng)用在單反射面多波束天線系統(tǒng)中，為將來(lái)小型化衛(wèi)星的設(shè)計(jì)提供一種設(shè)計(jì)方案。

參考文獻(xiàn)

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[6] 趙后亮，尹家賢.一種S波段寬帶微帶貼片天線陣列的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（23）：109?111.