基于高阻表面和波紋槽結構的法布里-珀羅天線研究

曹衛(wèi)平 唐 茜 李思敏 張靜媛

（桂林電子科技大學認知無線電與信息處理省部共建教育部重點實驗室，廣西桂林541004）

基于高阻表面和波紋槽結構的法布里-珀羅天線研究

曹衛(wèi)平 唐 茜 李思敏 張靜媛

（桂林電子科技大學認知無線電與信息處理省部共建教育部重點實驗室，廣西桂林541004）

針對尺寸有限的法布里-珀羅（Fabry-Perot，F(xiàn)P）天線副瓣較大、增益帶寬窄的問題，提出了一種基于高阻表面和波紋槽結構的新型FP天線模型.同時使用三維全波電磁場仿真軟件CST就傳統(tǒng)FP諧振結構、周期性以及非周期性加載高阻表面陣列和波紋槽結構對天線輻射性能的影響進行數(shù)值分析.模擬和實驗測試結果表明：與傳統(tǒng)FP諧振結構相比，加載周期結構僅能在較窄頻帶內(nèi)提高天線增益，而加載非周期結構能使該天線增益在更寬頻帶內(nèi)得到提高且其增益穩(wěn)定性更好.

高阻表面；波紋槽；高增益；法布里-珀羅；非周期

引 言

20世紀中期，在Townes提出輻射放大原理后，Schawlow首次提出了沒有側壁的開放式法布里-珀羅（Fabry-Perot，F(xiàn)P）腔振蕩結構.該結構隨后被廣泛應用于天線的優(yōu)化設計中，并使天線增益得到明顯改善［1－6］，但受尺寸有限的傳統(tǒng)金屬地板限制，其邊緣和棱角等不連續(xù)位置處能激勵起表面電流，產(chǎn)生邊緣繞射［7］，從而引起后向輻射，造成大量功率損耗.1999年，D.Sievenpiper提出了高阻表面（High Impedance Surface，HIS）［7－8］和波紋槽［8］結構，利用其高阻特性可以有效抑制表面波的傳輸.本文結合HIS和波紋槽結構提出一種新型FP諧振天線模型.針對周期性HIS結構所表現(xiàn)出禁帶較窄問題，提出了非周期HIS結構，從而使其禁帶較窄問題得到有效改善，且在更寬頻帶內(nèi)提高天線增益.

1 理論基礎及設計分析

1.1 基于波導輻射源的FP諧振天線結構分析

FP諧振結果是一種開放式的腔體結構，由輻射源及其上方具有部分反射和透射功能的蓋板且成［9］，如頻率選擇表面［10］、電磁帶隙結構［11］、人工磁導體材料［12］等.本文采用波導作為輻射源，金屬網(wǎng)格作為蓋板，天線結構如圖1所示.其中，F(xiàn)P諧振腔的諧振距離lr可由下式表示［13］：

式中：φ0為蓋板的反射相位；λ為工作頻點的波長；N＝0，1，2，….

由于波導口輻射的電磁波會在蓋板和地面之間不斷進行反射和透射，當諧振距離lr為半波長的整數(shù)倍時，歷次透射出蓋板的電磁波同相疊加，從而提高天線的增益.

利用CST電磁仿真軟件對工作頻率在10GHz處的普通波導天線和FP諧振天線結構進行仿真分析，其E面輻射方向圖如圖2所示，其中普通波導天線最大增益為7.2dBi，方向圖波束較寬，無法形成有效的定向輻射；而FP諧振天線的輻射方向圖波束寬度明顯變窄，增益提高至14.8dBi，驗證了FP諧振結構確實具有銳化波束、提高天線增益的作用.但同時發(fā)現(xiàn)，由于反射地板的邊緣繞射效應，天線輻射方向圖后瓣較大.針對上述問題，本文提出了在天線反射地板上構建HIS和波紋槽結構，以此改善天線的輻射特性.

1.2 加載周期HIS和波紋槽的天線結構分析

1.2.1 波紋槽結構基本理論

圖3為波紋槽結構，槽寬很窄，遠小于一個波長，槽深約為1／4波長，每個槽都可近似看成平行板傳輸線，表面電流流經(jīng)槽底部形成短路［8］.根據(jù)傳輸線理論［14］可知，波紋槽頂端的阻抗可表示為

當l＝λ／4時，由公式（2）可知，表面阻抗Z趨于無窮大，此時波紋槽頂端表面阻抗很高，具有高阻抗特性，從而對表面波起到抑制作用.

1.2.2 周期HIS結構基本理論

圖4為波導上的HIS結構，該結構可被看作是并聯(lián)的LC網(wǎng)絡，其表面阻抗［15］可由下式計算

諧振頻率為

貼片和接地板之間以及相鄰貼片之間不斷積累電荷，形成電容，其等效公式為

式中，εr為相對介電常數(shù).

同時，貼片通過過孔與地連接形成電感，其等效公式可表示為

由公式（3）可知，在諧振頻率ω0附近，該結構的表面阻抗趨于無窮大，具有高阻特性.此時HIS能夠抑制電流在導體表面流動，使得波導口附近的表面電流迅速衰減，從而減少邊緣繞射及其引起的后向輻射損耗.

1.2.3 仿真結果及分析

為確定高阻表面單元尺寸，采用波導測量的方式，將5×14周期高阻表面陣列單元放入波導中，采用介電常數(shù)εr＝3.38，厚度h＝1.52mm的RO4003C材料.當高阻表面的貼片邊長w＝2mm，貼片間隙g＝0.1mm時，在所要求的設計頻帶10 GHz左右出現(xiàn)一個禁帶，如圖5所示.由圖可知，周期HIS陣列結構只能在較窄頻帶內(nèi)表現(xiàn)出高阻特性.

將高阻表面陣列和波紋槽結構加載到如圖1所示FP波導天線上，其最終結構如圖6所示.經(jīng)過仿真優(yōu)化得到天線的結構參數(shù)ls＝85mm，ws＝73 mm，d＝12.5mm，lr＝16mm，cw＝2mm，r＝12 mm，高阻表面周期：p＝w＋g＝2.1mm，其陣列單元圍繞波導口一圈一圈排列，共14個周期，波紋槽圍繞在高阻表面周圍，進一步抑制表面電流的傳播.圖7給出了10GHz時加載周期HIS陣列和波紋槽結構后，天線E面和H面的輻射方向圖，仿真結果表明，該結構能夠明顯抑制FP天線的后瓣并且使得前向增益得以提高，前后比為29.8.此外，由于表面波傳輸能量的急劇衰減，由邊緣繞射而產(chǎn)生的一系列旁瓣和零點明顯減少.

1.3 加載非周期HIS和波紋槽的天線結構分析

1.3.1 非周期HIS結構設計

為了拓展增益帶寬，本文提出一種非周期HIS陣列和波紋槽結構相結合的天線模型，其中非周期HIS采用一種準周期結構陣列，其結構如圖8所示.相同顏色的貼片具有相同尺寸，保持p＝2.3mm，改變貼片單元的尺寸，使得貼片圍繞波導中心向邊緣遞減.

由公式（4）和（5）可知，非周期HIS陣列單元尺寸的不同使得等效電容值發(fā)生變化，進而影響其諧振頻率.由于不同尺寸的單元對應不同的諧振頻帶，通過合理調(diào)節(jié)單元大小，使其對應的頻帶相互靠近或疊加，從而實現(xiàn)諧振頻帶的展寬.由公式（3）可知HIS在諧振頻率附近具有高阻特性，因此通過對陣列單元尺寸的設計，非周期HIS能在更寬的頻帶內(nèi)表現(xiàn)出高阻特性，進而在寬頻帶內(nèi)提高天線增益.

1.3.2 仿真結果及分析

為確定非周期高阻表面陣列單元的尺寸，依然采用波導測量的方式，將5×12非周期高阻表面陣列單元放入波導中，介質(zhì)材料保持不變.經(jīng)多次調(diào)試，采用如表1所示的貼片尺寸，產(chǎn)生禁帶如圖9所示.由圖可知，非周期的HIS結構能夠在更寬的頻帶內(nèi)產(chǎn)生禁帶，使得抑制表面波的頻帶展寬，從而在寬頻帶內(nèi)提高天線增益.

圖10 給出了不同結構天線增益比較圖.加載周期HIS陣列和波紋槽后，能夠明顯提高FP天線的增益，最高增益達18.2dBi；而用非周期HIS陣列替換后，天線的最高增益有所下降，這是因為非周期HIS陣列采用四種不同尺寸的單元，對應著不同的諧振頻點，因此，在其禁帶區(qū)域內(nèi)對表面波抑制程度不同.在10GHz處抑制效果最強，偏離10GHz逐漸減弱，導致天線增益降低.其次，由于HIS陣列尺寸發(fā)生變化，使得腔體中的電磁環(huán)境更為復雜，此時透射出去電磁波的相位差要大于周期結構，削弱了10GHz處電磁波的匯聚能力，從而使得加載非周期HIS陣列天線的最高增益在10GHz處低于周期結構.

2 實驗測試

為了驗證仿真結果的準確性，我們對加載非周期HIS陣列和波紋槽結構的天線進行加工制作，其實物圖如圖11所示，并通過Aglient N5230A矢量網(wǎng)絡分析儀測試S參數(shù)，圖12給出了該結構的仿真和測試結果并且和加載周期結構的仿真結果進行了對比分析.仿真得到周期結構回波損耗小于－10 dB的頻帶范圍為9.51～10.44GHz，非周期結構的仿真和測試結果分別為9.55～10.50GHz、9.66～10.68GHz.兩種結構阻抗帶寬相差不大，說明加載周期和非周期HIS陣列對天線的阻抗帶寬無明顯影響.由圖12可知，測試結果的中心頻率略有偏移，回波損耗比仿真結果要高，整體基本與仿真結果吻合，驗證了本文分析結果的正確性.

采用NSI-700S-60近遠場天線測量系統(tǒng)對所設計天線結構進行了遠場測試.圖13為加載周期HIS和波紋槽以及加載非周期HIS和波紋槽后仿真和測試的E面輻射方向圖，與預期一致，天線能夠形成良好的定向輻射.在工作頻點10GHz處，加載周期結構得到天線的最大增益為18.2dBi；加載非周期結構后，仿真和測試得到天線的最大增益分別為17.5dBi、16.8dBi，且仿真和實測輻射方向圖基本一致.相對于周期結構天線的最大增益略有下降，但是后瓣明顯變小，這也證明了上文的分析結果.

3 結 論

基于高阻特性理論提出了一種新型高增益法布里-珀羅天線.利用在法布里腔體中加載高阻表面和波紋槽的方法實現(xiàn)對天線后瓣的抑制和增益帶寬的展寬.對傳統(tǒng)FP、加載周期HIS和波紋槽以及加載非周期HIS和波紋槽三種天線結構進行仿真分析.研究結果表明：FP諧振結構雖能顯著提高波導天線的增益，但它具有后瓣較大的缺點；加載周期HIS和波紋槽結構僅能在工作頻率附近抑制后向輻射，提高天線增益；而加載非周期后，F(xiàn)P天線的增益在更寬的頻帶內(nèi)大幅提高且該結構具有更好的增益穩(wěn)定性.

［1］ LIU Zhenguo.Fabry-Perot resonator antenna［J］.Infrared Milli Terahz Waves，2010，31：391-403.

［2］ SUN Yong，CHEN Zhining，ZHANG Yewen，et al.Sub-wavelength substrate-integrated Fabry-Perot cavity antennas using artificial magnetic conductor［J］.IEEE Transactions on Antenna and Propagation，2012，60（1）：30-35.

［3］ WANG S，F(xiàn)ERESIDIS A P，GOUSSETIS G，et al.Low-profile resonant cavity antenna with artificial magnetic conductor ground plane［J］.Electronics Let-ters，2004，40（7）：405-406.

［4］ GE Y，WANG C，ZENG X.Wide-band high-gain low-profile 1-D fabry－perot resonator antenna［C］／／Proceedings of the International Symposium on Antennas and Propagation，2013，1：550-552.

［5］ MUHAMMAD S A，SAULEAU R，VALERIO G，et al.Self-polarizing Fabry-Perot antenna based on polarization twisting element［J］.IEEE Transaction on Antennas and Propagation，2013，61（3）：1032-1040.

［6］ BOIKO S N.High gain Fabry-Perot antenna［J］.Antenna，2012，8：46-50.

［7］ SIEVENPIPER D，Broas R，YABLONOVICH E，et al.Antennas on high-impedance ground planes［J］.IEEE MTT-S Digest，1999，1245-1248.

［8］ SIEVENPIPER D，ZHANG Lijun，ROMULO F，et al.High-impedance electromagnetic surface with a forbbiden frequency band［J］.IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques，1999，47（11）：2059-2074.

［9］ LI Long，LEI Shou，LIANG Changhong.Metamaterial-based Fabry-Perot resonator for ultra-low profile high gain antenna［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2012，54（11）：2620-2623.

［10］ 武振波，武 哲，呂明云.雙層頻率選擇表面電磁特性數(shù)值模擬研究［J］.電波科學學報，2004，19（6）：663-668.WU Zhenbo，WU Zhe，LüMingyun，et al.Numerical simulation for electromagnetic characteristics of double-layer frequency selective surfaces［J］.Chinese Journal of Radio Science，2004，19（6）：663-668.（in Chinese）

［11］ 李 斌，黨曉杰，梁昌洪.基于一維EBG結構的圓波導高增益天線［J］.電波科學學報，2006，21（6）：879-884.LI Bin，DANG Xiaojie，LIANG Changhong.High gain circular waveguide antenna using 1Delectromagnetic band gap structure［J］.Chinese Journal of Radio Science，2006，21（6）：879-884.（in Chinese）

［12］ 閆敦豹，高 強，付云起，等.改進的寬帶人工磁導體結構［J］.電波科學學報，2005，20（5）：586-589.YAN Dunbao，GAO Qiang，F(xiàn)U Yunqi，et al.Novel improvement of broad band AMC structure［J］.Chinese Journal of Radio Science，2005，20（5）：586-589.（in Chinese）

［13］ TRENTINI G V.Partially reflecting sheet array［J］.IRE Transactions on Antenna and Propagation，1956，4：666-671.

［14］ 廖承恩.微波技術基礎［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2009：27-28.

［15］ LIANG L，LIANG C H，ZHAO X W，et al.A novel broadband EBG using multi-period mushroom-like structure［C］／／Microwave and Millimeter Wave Technology，2008：21-24.

Fabry-Perot resonator antenna with high impedance surface and corrugated groove

CAO Weiping TANG Qian LI Simin ZHANG Jingyuan
（Key Laboratory of Cognitive Radio and Information Processing of Ministry of Education，Guilin University of Electronic Science and Technology，Guilin Guangxi 541004，China）

A new type of antenna based on high impedance surface（HIS）and corrugated groove is proposed to solve the problem of big sidelobes and narrow gain bandwidth in Fabry-Perot（FP）resonant antenna for limited size.Simultaneously，the traditional FP resonant antenna，loading periodic structure and the aperiodic HIS arrays and corrugated groove structures are numerical analyzed by CST software.The measured and simulation results show that compared with the traditional resonant structure，the gain of the new structure can be improved only in a narrow band after loading periodic HIS arrays and corrugated groove，however，after loading aperiodic HIS arrays and corrugated groove，the gain is increased in a wider bandwidth and the gain stability is much better.Key words high impedance surface；corrugated structure；high gain；Fabry-Perot；aperiodic

TN82

A

1005-0388（2015）01-0177-06

曹衛(wèi)平 （1971－），男，湖南人，教授、博士，桂林電子科技大學碩士生導師，主要從事射頻和天線方面的研究.

唐 茜 （1990－），女，重慶人，桂林電子科技大學碩士研究生，主要從事天線方面的研究.

李思敏 （1963－），男，江蘇人，博士、教授、博士生導師，主要從事寬帶小型化天線、高功率微波、計算電磁學、微波通信的研究工作.

曹衛(wèi)平，唐 茜，李思敏，等.基于高阻表面和波紋槽結構的法布里-珀羅天線研究［J］.電波科學學報，2015，30（1）：177-182.

10.13443／j.cjors.2014022402

CAO Weiping，TANG Qian，LI Simin.Fabry-Perot resonator antenna with high impedance surface and corrugated groove［J］.Chinese Journal of Radio Science，2015，30（1）：177-182.（in Chinese）.doi：10.13443／j.cjors.2014022402

2014-02-24

國家自然科學基金（61361005）；廣西自然科學基金（2012GXNSFAA053233）；通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術重點實驗室開放課題（ITD-U1300x／K13600xx）

聯(lián)系人：曹衛(wèi)平E-mail：weipingc＠163.com