基于人工磁導(dǎo)體表面的低剖面Fabry-Perot諧振腔天線設(shè)計(jì)

趙曉磊，劉宇峰，陳新偉，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

Fabry-Perot諧振腔天線不同于傳統(tǒng)的高增益天線，它不僅具有高定向性的性能，而且不需要復(fù)雜的功分饋電網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)之一.然而，傳統(tǒng)的Fabry-Perot諧振腔天線縱向剖面較高，部分反射層與接地板之間間距通常為λ/2.當(dāng)天線工作頻率較低時(shí)，會(huì)使得腔體縱向剖面過(guò)高、整體體積過(guò)大，從而限制其應(yīng)用范圍.所以，如何在保證Fabry-Perot諧振腔天線高增益輻射特性前提下，有效降低諧振腔體的剖面高度，減小天線體積，成為Fabry-Perot 諧振腔天線研究的一個(gè)重要課題.

超材料是一種自然界不存在的人工復(fù)合材料，以某些特定順序排列的亞波長(zhǎng)單元結(jié)構(gòu)組成.超表面則是亞波長(zhǎng)單元結(jié)構(gòu)以周期性排列構(gòu)成的二維超薄平面，可以看作是一種二維平面型超材料[1].如頻率選擇表面(Frequency Selective Surfaces, FSS)、電磁帶隙結(jié)構(gòu)(Electromagnetic Band-Gap, EBG)、左手材料(Left-Handed Metamaterials, LHM)以及人工磁導(dǎo)體表面等，且超表面已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了微波天線領(lǐng)域[2].人工磁導(dǎo)體表面為超表面的一種，其利用周期性結(jié)構(gòu)改變反射相位，從而實(shí)現(xiàn)降低天線剖面的目標(biāo).

2005年，A.P.Feresids等[3]選取人工磁導(dǎo)體表面作為天線的接地板，和傳統(tǒng)Fabry-Perot諧振腔天線相比，剖面降低了一半；2006年，A.P.Feresids等[4]又在前一年的基礎(chǔ)上對(duì)基于超表面接地板的單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，天線的剖面降低至λ/6；2010年，Guochun Zhao等[5]通過(guò)在接地板上加載人工阻抗表面(Artificial Impedance Surfaces，AIS)，實(shí)現(xiàn)了剖面為λ/8的圓極化諧振腔天線.然而，上述天線較本文而言，接地板結(jié)構(gòu)均較為復(fù)雜；2015年，Ying Liu等[6]通過(guò)加載人工磁導(dǎo)體表面及電磁帶隙結(jié)構(gòu)將天線剖面降低至0.19λ，但其腔體結(jié)構(gòu)及饋源結(jié)構(gòu)均較為復(fù)雜，且增益較低；2016年，Badreddine Ratni等[7]通過(guò)在部分反射層加載人工磁導(dǎo)體表面，改變了部分反射層的反射相位，實(shí)現(xiàn)了剖面為λ/6.6的圓極化諧振腔天線，但其阻抗帶寬較窄，僅達(dá)到 2.3%；2012年，Yong Sun等[8]通過(guò)在部分反射層加載人工磁導(dǎo)體表面以及在諧振腔內(nèi)填充介質(zhì)，改變部分反射層反射相位，使得天線剖面降低至λ/9，但由于介質(zhì)的填充，不利于實(shí)際制作與應(yīng)用.

本文設(shè)計(jì)了一種工作在C波段的基于人工磁導(dǎo)體表面的低剖面Fabry-Perot諧振腔天線.采用在部分反射層加載，使部分反射層的反射相位由180°降低到-25°，在天線實(shí)現(xiàn)高增益高定向性的同時(shí)，天線的剖面從0.5λ降低至約0.215λ.

1 Fabry-Perot諧振腔天線工作原理

傳統(tǒng)的Fabry-Perot諧振腔天線結(jié)構(gòu)通常由部分反射層、接地板及饋源組成.當(dāng)滿足諧振條件時(shí)，由饋源輻射出的電磁波在諧振腔之間不斷反射與透射，最終在部分反射層的上方實(shí)現(xiàn)同相疊加，達(dá)到高增益、高定向性的性能.接地板反射幅值等于1，起到全反射的作用.部分反射層的功能是部分反射與選擇性透射.從漏波的觀點(diǎn)來(lái)看，部分反射層的反射系數(shù)大，對(duì)應(yīng)Fabry-Perot諧振腔的泄漏因子小，適應(yīng)于大口徑Fabry-Perot諧振腔天線的設(shè)計(jì)；反之，如果天線口徑較小，則應(yīng)使部分反射層的反射系數(shù)變小，以增大Fabry-Perot諧振腔的泄漏因子.因此，為了得到較好的口徑效率，應(yīng)根據(jù)天線口徑的大小，合理設(shè)計(jì)部分反射層反射系數(shù)的大小[9-12].

根據(jù)射線理論可知，當(dāng)滿足諧振條件時(shí)，其剖面高度

(1)

式中：φR為部分反射層的反射相位；ψG為接地板的反射相位；λ為天線波長(zhǎng)；n為整數(shù)，代表諧振模式.由式(1)可以看出，當(dāng)諧振頻率確定時(shí)，波長(zhǎng)λ固定，天線的剖面值h僅與φR，ψG有關(guān).對(duì)于傳統(tǒng)的Fabry-Perot諧振腔天線而言，部分反射層與接地板的反射相位均為180°，將其代入式(1)可得諧振腔天線的剖面高度h=λ/2.本文主要采用人工磁導(dǎo)體表面作為部分反射層，改變其反射相位，從而降低了諧振腔體的剖面高度.

根據(jù)Floquet定理所示，除主傳播模以外的其他傳播模會(huì)導(dǎo)致天線方向圖出現(xiàn)柵瓣，造成主瓣的能量損失，因而，為避免柵瓣的形成，要抑制主模以外的其他模

(2)

式中：d為周期陣列單元之間的距離；θi為球坐標(biāo)下的入射波方向.由式(2)可知，無(wú)論入射角的角度多大都不會(huì)出現(xiàn)柵瓣的要求是

(3)

當(dāng)Fabry-Perot諧振腔處于諧振狀態(tài)時(shí)，對(duì)特定的頻率入射波是全透射的，因此，F(xiàn)abry-Perot諧振腔可以看作是窄帶帶通的空間濾波器.

2 天線結(jié)構(gòu)

2.1 饋源設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了工作在7 GHz處通過(guò)同軸饋電的矩形微帶貼片天線，介質(zhì)基板選用聚四氟乙烯(εr=2.65).

圖1 為饋源的結(jié)構(gòu)及仿真結(jié)果，L，W分別為貼片天線的長(zhǎng)和寬，Xf代表饋點(diǎn)沿x軸的偏移距離.根據(jù)貼片天線原理計(jì)算，再通過(guò)仿真優(yōu)化后的具體參數(shù)為：L=19.6 mm，W=12 mm，Xf=3.2 mm.仿真結(jié)果表明，天線的-10 dB帶寬為279 MHz，增益達(dá)到7.9 dBi.

(a)結(jié)構(gòu)

2.2 部分反射層設(shè)計(jì)

本文所采用人工磁導(dǎo)體上、下表面單元如圖2(a)、圖2(b)所示，單元蝕刻在厚度hs=1.6 mm 的聚四氟乙烯板上，單元周期P0=11.2 mm.上層為帶有方環(huán)的方形貼片(圖2(a))，內(nèi)部方形貼片的邊長(zhǎng)l2=3.4 mm，方形內(nèi)邊長(zhǎng)l1=7.2 mm；下層為菱形貼片(圖2(b))，對(duì)角線長(zhǎng)W0=10.88 mm.單元之間的距離d遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于λ/2，起到抑制柵瓣的作用.由于所設(shè)計(jì)天線口徑為2.43λ×2.43λ，故剖面較低，口徑較小時(shí)，衰減因子增大，反射系數(shù)幅值會(huì)隨之減小，天線輻射效果更好[9-12].隨著頻率的變化，部分反射層可實(shí)現(xiàn)(180°,180°)之間的反射相位.為獲得反射相位為-25°且相位曲線相對(duì)平緩的單元，對(duì)單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析并優(yōu)化后得到圖2(c)，該反射幅值足夠高，反射相位在7 GHz處達(dá)到-25°，如圖2(e)所示，滿足降低天線剖面、提高增益的條件.同時(shí)，反射相位隨頻率的變化較為平緩，這會(huì)使得天線的增益帶寬變寬.

圖2 部分反射層單元

2.3 低剖面Fabry-Perot諧振腔天線設(shè)計(jì)

天線整體結(jié)構(gòu)如圖3 所示，饋源采用2.1節(jié)中基于同軸饋電的矩形微帶貼片天線.采用2.2節(jié)單元構(gòu)成8×8陣列作為部分反射層，反射相位為-25°.腔體下層采用傳統(tǒng)金屬接地板，反射相位為180°.由式(1)計(jì)算可得，天線理論剖面可減小至0.215λ.天線的口徑尺寸為104 mm×104 mm.

(a)側(cè)視圖

3 部分反射層參數(shù)分析

天線部分反射層單元尺寸直接影響到其反射特性，進(jìn)而影響到剖面及天線整體輻射性能.

圖2(d)為部分反射層單元結(jié)構(gòu)的等效電路圖，根據(jù)等效電路圖可得出諧振頻率的計(jì)算公式為

(4)

式中：L3由菱形貼片的W0控制；L1，L2分別由上表面方形貼片及方環(huán)控制；C1，C2，C3分別由介質(zhì)縫隙控制，因而，對(duì)部分反射層進(jìn)行參數(shù)分析十分有必要.

3.1 參數(shù)l1分析

如圖4 所示，隨著參數(shù)l1的增大，部分反射層反射相位變小，天線的增益最大值向低頻移動(dòng)，且增益帶寬較窄，這是由于Fabry-Perot諧振腔天線的部分反射層反射相位是隨頻率變化的，當(dāng)頻率偏離工作頻率時(shí)，電磁波在腔體內(nèi)的反射相位發(fā)生變化，從而不再滿足諧振腔的工作條件，偏離中心頻率的電磁波無(wú)法在部分反射層同相疊加，增益隨之下降.增益在l1=7.2 mm處達(dá)到最大值，旁瓣達(dá)到最小值，因此參數(shù)l1選取為7.2 mm.

(a)反射相位

3.2 參數(shù)W0分析

由圖5 可知，部分反射層單元結(jié)構(gòu)的尺寸對(duì)于天線的反射特性有較大影響.隨著W0逐漸增大，部分反射層反射相位逐漸變小，增益驟降，增益最大值向低頻移動(dòng)，最終參數(shù)W0確定為 10.88 mm.

(a)反射相位

4 仿真及實(shí)測(cè)結(jié)果

根據(jù)參數(shù)分析所確定的天線結(jié)構(gòu)尺寸，加工制作天線樣品，如圖6 所示.部分反射層與接地板之間通過(guò)4顆塑料螺釘作為支撐，以保證諧振腔體高度.

圖6 天線實(shí)物圖

圖7 為天線S參數(shù)測(cè)量及仿真結(jié)果.結(jié)果表明，天線阻抗帶寬(|S11|<-10 dB)達(dá)到14%，向高頻偏移200 MHz.主要是由于基板介電常數(shù)誤差及饋源焊接等原因造成的.

圖7 S11曲線

實(shí)物天線的方向圖測(cè)量工作在微波暗室中進(jìn)行，圖8 分別為天線在工作頻率7 GHz處的E面、H面仿真及實(shí)測(cè)方向圖.

(a)E面

測(cè)試結(jié)果表明，天線在7 GHz處有較好的定向輻射特性，電磁波在諧振腔中多次反射與透射，在部分反射層的外側(cè)實(shí)現(xiàn)同相疊加，從而顯著提高天線的增益和定向性，圖9 為天線的仿真增益曲線，天線增益在中心頻率7 GHz處達(dá)到 13.8 dBi，相較于饋源，增益提升了5.9 dBi，-3 dB 增益帶寬達(dá)到7%(6.75 GHz～7.25 GHz).在部分反射層單元合理的設(shè)計(jì)下，天線的旁瓣低于-21.3 dB，實(shí)現(xiàn)了良好的定向性，天線的仿真輻射效率達(dá)到99.7%，仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好.天線性能與其他已有設(shè)計(jì)對(duì)比在表1 中給出.結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的天線在保持高定向性及高增益性能的同時(shí)，天線的剖面值從 0.5λ降低到0.215λ，實(shí)現(xiàn)了天線的低剖面性能.

圖9 天線仿真增益

表1 低剖面諧振腔天線性能比較

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一款新型低剖面Fabry-Perot諧振腔天線.天線部分反射層由上層為帶有方環(huán)的方形貼片，下層為菱形貼片組成的8×8均勻陣列，通過(guò)參數(shù)優(yōu)化，其反射相位達(dá)到-25°.天線的接地板采用傳統(tǒng)金屬接地板，反射相位為180°，由矩形微帶貼片天線進(jìn)行饋電.該天線仿真剖面達(dá)到0.215λ，相較于傳統(tǒng)Fabry-Perot諧振腔天線，剖面值降低了0.285λ，天線低剖面的特性得以實(shí)現(xiàn).為便于實(shí)物的制作，天線的剖面調(diào)整為0.22λ.對(duì)該天線進(jìn)行了實(shí)物的制作與測(cè)量，測(cè)試結(jié)果表明，天線阻抗帶寬(|S11|<-10 dB)達(dá)到14%，增益達(dá)到13.8 dBi，-3 dB增益帶寬達(dá)到7%(6.75 GHz～7.25 GHz).輻射效率達(dá)到99.7%，旁瓣低于-21.3 dB，實(shí)現(xiàn)了高定向、高增益的性能.天線的實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果有較好的一致性.