一種低輪廓的Fabry—Perot諧振器天線

顧瑩瑩 張欣 唐曉明 陳曉磊

【摘要】 通過在Fabry-Perot諧振器天線的饋源所在的平面上引入高阻抗表面，能有效地降低天線的高度，并且在一定程度上改善了旁瓣和后瓣。

【關(guān)鍵詞】 天線 Fabry-Perot 低輪廓 高阻抗表面

一、引言

Fabry-Perot諧振器天線結(jié)構(gòu)對(duì)頻率的變化較為敏感：為了實(shí)現(xiàn)選頻特性，電磁波在諧振器內(nèi)傳播的相位應(yīng)為π的整數(shù)倍，這樣才能保證每次透射過去的波同相疊加，起到加強(qiáng)的效果。當(dāng)電磁波在兩塊反射板上的反射相位均為π時(shí)，要求該結(jié)構(gòu)的高度至少為λ/2，這樣就使得整個(gè)天線結(jié)構(gòu)厚度較大，不滿足低輪廓的要求。

二、高阻抗表面結(jié)構(gòu)

高阻抗表面結(jié)構(gòu)是EBG結(jié)構(gòu)的一種，是由金屬和介質(zhì)兩種材料組成的結(jié)構(gòu)，它通過在背襯接地板的介質(zhì)基片表面印刷二維周期排列的金屬圖案（其中蘑菇型結(jié)構(gòu)[1]還用金屬過孔將每個(gè)金屬周期單元與接地板相連接），來實(shí)現(xiàn)高阻抗表面的性能。

由于高阻抗表面結(jié)構(gòu)的周期尺寸遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)，適合用集總參數(shù)電路元件組成的等效LC并聯(lián)諧振電路來描述其電磁特性。該結(jié)構(gòu)之所以被稱為“高阻抗表面”，是因?yàn)槠浔砻嬖谝欢l帶內(nèi)對(duì)正投射波呈現(xiàn)高阻抗特性，使反射波與入射波的場(chǎng)強(qiáng)同相。鑒于這種反射的同相性質(zhì)可視為等效的人工磁導(dǎo)體 （AMC），若用來代替電導(dǎo)體作為天線的反射板，可使天線實(shí)現(xiàn)低輪廓結(jié)構(gòu)。此外，高阻抗表面對(duì)于沿其表面?zhèn)鞑サ碾姶挪ㄒ渤尸F(xiàn)帶隙特性，應(yīng)用于印刷天線時(shí)能有效地抑制表面波在介質(zhì)基片中的傳播，減小天線的后向輻射，提高天線效率和增益值，改善天線的輻射性能。

共面高阻抗表面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要金屬過孔。Itoh等人首先提出共面緊湊型-光子帶隙（UC-PBG）高阻抗表面結(jié)構(gòu)[2]。該結(jié)構(gòu)也可以看作是頻率選擇表面 （Frequency Selective Surface， FSS） 加上接地板，其中，頻率選擇表面對(duì)應(yīng)二維周期排列的金屬貼片，能夠有效地反射或傳輸特定頻率范圍內(nèi)的電磁波，可用作帶阻或帶通濾波器[3]。

三、采用高阻抗表面的Fabry-Perot諧振器天線

3.1高阻抗表面及其結(jié)構(gòu)參數(shù)

本文的參數(shù)設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果是借助CST微波工作室仿真得到的。

高阻抗表面結(jié)構(gòu)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)所要求的反射相位，而且可以在一定程度上抑制表面波。在文獻(xiàn)[4]中，為了降低天線的輪廓，在與天線共面的介質(zhì)上印刷了周期的方形貼片，形成了一種人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。通過選擇合適的周期尺寸和貼片大小，能使得該表面在天線的工作頻段內(nèi)對(duì)電磁波的反射呈現(xiàn)磁導(dǎo)體的性能，可以使天線的整體輪廓降低到原來的一半。

為了保證天線結(jié)構(gòu)的寬頻帶，此處選用的是方形貼片F(xiàn)SS背襯接地板的高阻抗表面結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)頻帶較寬，對(duì)于斜入射角度的敏感性較弱，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。其周期單元與反射相位性能如圖1所示。

由于高阻抗表面結(jié)構(gòu)與饋源輻射器共面，其共用同一塊介質(zhì)板：此處選用介電常數(shù)為3.2、厚度為1.6 mm、面積為62 62 mm2的介質(zhì)板。通過優(yōu)化得到周期單元的尺寸參數(shù)：周期大小a=5.5mm，貼片尺寸c=3.3mm，該表面在14GHz時(shí)的反射相位約為45度。由于天線結(jié)構(gòu)的高度與中心頻率14GHz處的反射相位相關(guān)，將饋源上方的反射蓋板的反射相位看作180度，則計(jì)算得到的蓋板與輻射饋源的距離應(yīng)為6.7mm。

（a） 高阻抗表面單元 （b） 反射相位性能

圖1高阻抗表面單元結(jié)構(gòu)及反射相位性能

3.2天線結(jié)構(gòu)

選用寬頻帶的U型縫隙貼片作為饋源，其上方平行放置雙層介質(zhì)蓋板，上層為介質(zhì)EBG板，下層為均勻介質(zhì)板[5]，在饋源輻射器的周圍引入周期排列的方形貼片結(jié)構(gòu)，如圖2所示：

（a） 天線整體結(jié)構(gòu) （b） 饋源部分

圖2 采用高阻抗表面的Fabry-Perot諧振器天線

3.3仿真結(jié)果

經(jīng)過優(yōu)化，實(shí)際選取的天線間距為hc=7.6mm（而采用普通導(dǎo)體表面天線時(shí)hc=9.6mm），該天線結(jié)構(gòu)的阻抗頻帶（-10dB回波損耗）為 13.67-14.5 GHz，相對(duì)帶寬為5.96%；增益在14GHz達(dá)到最大值17.75dBi，3dB增益頻帶為 13.71-14.54 GHz，相對(duì)帶寬為5.93%；其實(shí)用頻帶（阻抗頻帶和增益頻帶的公共部分）為 13.71-14.5 GHz，相對(duì)帶寬5.64%；E/H面輻射方向性圖的主瓣半功率寬度為18.8度/19.8度，對(duì)電磁波起到了聚焦作用；E面波瓣圖的旁瓣電平-15.5dB，前后比約為24.3dB，性能較好。

這種采用高阻抗表面的Fabry-Perot諧振器天線比采用普通導(dǎo)體表面天線進(jìn)一步減小了結(jié)構(gòu)高度，實(shí)現(xiàn)了低輪廓，且改善了旁瓣與后瓣電平。

四、結(jié)語

本文提出了一種采用了高阻抗表面的Fabry-Perot諧振器天線，通過在U型縫隙矩形貼片周邊設(shè)置周期排布的方形貼片，形成了一種人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，能夠有效地降低天線的高度。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] D. Sievenpiper， L. Zhang， R.F.J. Broas， N.G. Alexopolous and E. Yablonovitch， “High-Impedance Electromagnetics Surface with a Forbidden Frequency Band”， IEEE Trans. MTT， Vol. 47， Nov. 1999， pp. 2059-2074.

[2] K.P. Ma， K. Hirose， F.R. Yang， Y. Qian and T. Itoh， “Realisation of magnetic conducting surface using novel photonic bandgap structure”， Electronicd Letters， 15th， Oct. 1998， Vol. 34， No. 21， pp. 2041-2042.

[3] B.A. Munk， “Frequency Selective Surfaces： Theory and Design”， New York： Wiley， 2000.

[4] A.P. Feresidis， G. Goussetis， S. Wang， J.C. Vardaxoglou， “Artificial Magnetic Conductor Surfaces and Their Application to Low-Profile High-Gain Planar Antennas”， IEEE Trans. Antennas Propagat.， Vol. 53， No. 1， Jan. 2005， pp. 209-214.

[5] 葛志晨，“電磁帶隙結(jié)構(gòu)在寬頻帶高增益印刷天線中的應(yīng)用”，東南大學(xué)碩士論文，2005。