加載分形EBG地的低剖面Fabry-Perot諧振腔天線設(shè)計(jì)

范東偉， 趙曉磊， 劉宇峰， 張文梅

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院， 山西 太原 030006)

0 引 言

近年來(lái)， F-P諧振腔天線逐漸成為一種應(yīng)用較為廣泛的諧振腔天線[1]. F-P原先是實(shí)現(xiàn)多光束干涉的光學(xué)儀器， 之后這一結(jié)構(gòu)被應(yīng)用到天線領(lǐng)域來(lái)實(shí)現(xiàn)高增益. F-P諧振腔天線通過(guò)在輻射源天線上方加載具有特異性能的覆蓋層， 與接地板構(gòu)成F-P腔， 當(dāng)天線覆蓋層與接地板滿足一定諧振距離時(shí)， 電磁波穿透覆蓋層實(shí)現(xiàn)同相疊加， 從而提高天線增益和方向性， 銳化波束寬度[2-4]. 與傳統(tǒng)的高增益天線相比， F-P諧振腔天線無(wú)需復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)， 結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單， 同時(shí)， 也更易于生產(chǎn)加工.

對(duì)于傳統(tǒng)的F-P諧振腔天線而言， 覆蓋層的反射相位與接地板的反射相位均為180°， 剖面值為λ/2， 天線的體積過(guò)大， 不利于實(shí)際工程應(yīng)用. 因而， 降低F-P諧振腔天線的剖面高度， 也就是如何將剖面值降低至λ/2以下， 成為了該種天線的重要研究方向. 目前， 降低F-P諧振腔天線剖面的方法有3種： 改變覆蓋層反射相位[5]、 改變接地板反射相位[6]以及同時(shí)改變接地板及覆蓋層的反射相位[7]. 通過(guò)加載人工電磁材料， 如頻率選擇表面、 EBG、 以及左手材料就可以實(shí)現(xiàn)接地板及覆蓋層的反射相位變化[8-10].

本文所設(shè)計(jì)的F-P諧振腔天線通過(guò)在接地板上加載基于Minkowski分形結(jié)構(gòu)[11]的EBG單元， 使得接地板的反射相位接近0°. 從而在保證天線其他性能良好的情況下， 天線整體剖面由傳統(tǒng)的λ/2減小為λ/4.

1 F-P諧振腔天線工作原理

F-P諧振腔天線通常由輻射源天線、 覆蓋層以及接地板3部分組成. 輻射源所輻射的電磁波在兩板之間不斷地反射與透射， 當(dāng)覆蓋層和接地板之間達(dá)到一個(gè)合適的距離時(shí)， 電磁波經(jīng)過(guò)多次透射， 在覆蓋層上方大致實(shí)現(xiàn)了同相疊加， 從而達(dá)到了高增益與高定向性的效果.

覆蓋層的反射系數(shù)設(shè)計(jì)以及兩板之間高度的選取對(duì)天線性能至關(guān)重要. 天線發(fā)生諧振時(shí)， 剖面高度需滿足式(1)

(1)

式中：φR為覆蓋層的反射相位；φG為接地板的反射相位；n為整數(shù)， 代表諧振模式.可以看出， 當(dāng)諧振頻率一定時(shí)， 波長(zhǎng)λ一定， 天線的剖面值H僅與φR，φG有關(guān).

2 天線結(jié)構(gòu)

2.1 覆蓋層設(shè)計(jì)

圖 1 為覆蓋層單元結(jié)構(gòu)示意圖. 單元由雙面印制的金屬貼片和介質(zhì)構(gòu)成， 單元周期P0=11.5 mm， 介質(zhì)基板厚度為1.53 mm， 介電常數(shù)為3.38. 單元上層為寬度s1=1 mm的方形金屬環(huán). 單元下層由寬度s2=0.5 mm方形金屬環(huán)和內(nèi)嵌的邊長(zhǎng)l=7 mm方形貼片構(gòu)成.

圖 1 覆蓋層單元Fig.1 The unit cell of PRS

根據(jù)上文中對(duì)F-P諧振腔天線工作原理的闡述中可以知道， F-P諧振腔天線的高增益及高定向性的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)電磁波在覆蓋層和接地板中不斷地反射與透射， 因而， 當(dāng)覆蓋層和接地板的反射幅值越接近于1， 就越接近于全反射， 在這樣的情況下， 電磁波的同相疊加效果就更為明顯， 天線的增益及定向性就能更進(jìn)一步得到提高， 從而實(shí)現(xiàn)更好的天線性能. 同時(shí)， 根據(jù)式(1)可知， 天線的剖面值H僅與φR，φG有關(guān).因此， 必須通過(guò)改變?chǔ)誖，φG來(lái)降低天線的剖面值. 由于覆蓋層及接地板為均勻分布， 其單元的反射系數(shù)也就代表了整體的反射系數(shù)， 所以， 可以通過(guò)研究單元的反射系數(shù)來(lái)研究天線的性能指標(biāo).

覆蓋層單元的反射系數(shù)幅度和相位在圖 1(c) 中給出. 可以看出， 在5.8 GHz處， 單元的反射系數(shù)幅值為0.93， 接近1， 反射效果良好，φR接近180°.

2.2 接地板設(shè)計(jì)

根據(jù)F-P諧振腔天線的諧振條件可以得到， 在波長(zhǎng)一定的情況下， 天線的剖面高度是由φR，φG決定， 因此， F-P諧振腔天線的低剖面可以通過(guò)改變覆蓋層或接地板的反射相位來(lái)實(shí)現(xiàn). 由式(1)知， 覆蓋層和接地板的高度應(yīng)為λ/2. 通過(guò)利用電磁帶隙結(jié)構(gòu)EBG的零反射相位特性， 通過(guò)在接地板上加載EBG結(jié)構(gòu)， 來(lái)改變接地板的反射相位. 采用二階Minkowski分形結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)EBG單元， 減小了單元的尺寸， 使得接地板反射相位分布更加均勻.

如圖 2 所示， EBG單元周期尺寸為P0=11.5 mm， 貼片邊長(zhǎng)為w2=10.5 mm， 貼片各邊中間所開(kāi)方形槽邊長(zhǎng)為w1=2.42 mm， 單元背面為金屬.

(a) 單元結(jié)構(gòu)

(b) 反射系數(shù)幅值及相位圖 2 接地板EBG單元Fig.2 The structure of the ground plane

圖 2(b) 給出在5.8 GHz處， 單元的反射系數(shù)幅值接近1， 同時(shí)， 接地板反射相位為φG=0°， 該設(shè)計(jì)成功地將接地板反射相位從傳統(tǒng)金屬接地板的180° 降低到0°， 將φR，φG代入式(1)可得， 天線的剖面值由傳統(tǒng)F-P諧振腔天線的λ/2降低至λ/4.

2.3 F-P諧振腔天線設(shè)計(jì)

采用前文中所述的覆蓋層單元和接地板加載的EBG單元來(lái)設(shè)計(jì)最終的低剖面F-P諧振腔天線. 天線工作頻率為5.8 GHz， 覆蓋層單元相位接近φR=180°， 接地板加載EBG單元反射相位φG=0°， 代入式(1)中可以得到天線剖面高度H=12.6 mm(約為λ/4). 天線整體的剖面高度減小了一半. 輻射源天線采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的矩形微帶貼片， 由50 Ω同軸線進(jìn)行饋電. 覆蓋層及接地板陣列規(guī)模均為10×10， 口徑尺寸為120 mm×120 mm. 天線整體結(jié)構(gòu)如圖 3 所示.

(a) 側(cè)視圖

(b) 3-D透視圖圖 3 天線整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The structure of the proposed antenna

3 仿真結(jié)果分析

3.1 參數(shù)w1分析

如圖 4 所示， 隨著w1的增大， 諧振點(diǎn)逐漸由高頻向低頻移動(dòng)， -10 dB帶寬大概一致， 當(dāng)w1<2.42 mm時(shí)， 天線的增益均小于17 dBi， 當(dāng)w1>2.42 mm時(shí)， 天線的旁瓣均大于-13 dB， 因此，w1最終確定為2.42 mm.

圖 4 不同w1對(duì)S11和增益的影響Fig.4 The effects of different w1 on S11 and gain

3.2 參數(shù)H分析

根據(jù)式(1)可知， 當(dāng)φR，φG一定時(shí)， 天線剖面值的變化會(huì)引起工作波長(zhǎng)的變化， 從而改變諧振頻率. 由圖 5 可知， 隨著天線剖面值H的增大， 天線的諧振頻率逐漸從高頻向低頻移動(dòng)， 諧振深度未有明顯變化， 同時(shí)， 當(dāng)H<12.6 mm時(shí)， 天線的增益均未達(dá)到17 dBi， 當(dāng)H>12.6 mm時(shí)， 天線的旁瓣變大， 同時(shí)剖面更大， 因此， 最終選擇H的大小為12.6 mm.

圖 5 不同H對(duì)S11和增益的影響Fig.5 The effects of different H on S11 and gain

3.3 參數(shù)l分析

一般情況下， F-P諧振腔天線的覆蓋層單元結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)天線的旁瓣、 諧振深度產(chǎn)生影響. 由圖 6 可知， 隨著l的變化， 天線諧振深度會(huì)產(chǎn)生明顯的變化，l越大， 增益提高， 但頻帶明顯減小.l越小， 諧振深度越深， -10 dB帶寬越寬， 但天線的增益明顯降低， 降低至17 dBi以下， 綜合考慮，l的大小最終選取為7 mm.

圖 6 不同l對(duì)S11和增益的影響Fig.6 The effects of different l on S11 and gain

3.4 天線仿真結(jié)果

圖 7 為該天線S參數(shù)的仿真結(jié)果. 可以看出， 工作頻率在5.8 GHz處， 天線的回波損耗為-24 dB， -10 dB阻抗帶寬為3.1%(5.78 GHz～5.96 GHz).

圖 7 仿真|S11|曲線Fig.7 Simulated of S-parameters.

圖 8 分別為天線在工作頻率處的E面、H面方向圖， 可以看到天線具有良好的定向輻射特性，E面旁瓣達(dá)到-19.4 dB，H面旁瓣達(dá)到-13.4 dB， 天線的軸向增益達(dá)到了17 dBi.

(a) E面

(b) H面圖 8 天線的歸一化輻射方向圖Fig.8 Normalized radiation patterns of the antenna

仿真結(jié)果表明， 在保持天線較好的輻射性能下， 天線的剖面高度從λ/2降低到λ/4， 達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目的.

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種低剖面均勻覆蓋層的F-P諧振腔天線， 通過(guò)設(shè)計(jì)覆蓋層結(jié)構(gòu)， 使得覆蓋層的反射相位達(dá)到180°， 從而形成電場(chǎng)相位均勻分布. 在接地板上加載EBG結(jié)構(gòu)， 利用EBG結(jié)構(gòu)零反射相位來(lái)降低天線剖面， 在保持天線的增益和方向性的同時(shí)， 將剖面降至λ/4. 仿真分析表明， 在工作頻率5.8 GHz下， 天線增益可以達(dá)到17 dBi， -10 dB阻抗帶寬為180 MHz(相對(duì)帶寬為 3.1%)， 達(dá)到了高定向的性能要求， 印證了接地板上加載分形EBG結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)F-P諧振腔天線剖面高度降低的可行性.