一種基于FSR的法布里-珀羅諧振腔天線設(shè)計

李 越

(中國船舶集團有限公司第七二三研究所,江蘇 揚州 225101)

0 引 言

電磁超材料是由人工復(fù)合而成并擁有新穎電磁特性的一種周期性材料,其主要是對常規(guī)材料進(jìn)行尺寸和單元的有序排列來獲得各種電磁特性。近些年來,電磁超材料被廣泛應(yīng)用在高增益天線、小型化天線、寬角掃描天線等諸多領(lǐng)域。法布里-珀羅諧振腔天線具有結(jié)構(gòu)和饋電簡單以及增益較高的良好特性,因此得到了廣泛的關(guān)注。本文利用頻率選擇性吸波材料作為法布里-珀羅(F-P)諧振腔的部分反射表面,在提升天線增益的同時兼顧天線帶外的低雷達(dá)散射截面(RCS)特性。

1 F-P諧振腔原理

F-P諧振腔天線一般由饋源天線、理想導(dǎo)電體以及部分反射表面(PRS)構(gòu)成,其射線跟蹤模型[1]如圖1所示。將饋源天線等效為理想點源,由它發(fā)出的電磁波入射至PRS,一部分反射回腔體內(nèi),另一部分透過部分反射表面。反射回腔體內(nèi)的電磁波入射至金屬地板后又繼續(xù)反射和透射,由此以往在無窮遠(yuǎn)處同相疊加。

圖1 F-P諧振腔天線的射線跟蹤模型

假設(shè)金屬地板和PRS的反射系數(shù)分別為ejφ1和R(θ)ejφ2(θ),φ1和φ2為反射相位,R(θ)為PRS的反射幅度。其中φ1=-180°,φ2和R(θ)為關(guān)于入射角θ的變量。當(dāng)滿足諧振條件時,由饋源天線產(chǎn)生的電磁波在2個反射平面內(nèi)經(jīng)過多次反射后在諧振腔外同相疊加,使得整體結(jié)構(gòu)的定向輻射性能增強。疊加后遠(yuǎn)場電場強度為：

(1)

式中：Δn為圖1中相鄰射線的相位差。

遠(yuǎn)場方向圖函數(shù)為：

(2)

式中：φ=φ(θ)-π-2khcosθ。

一般來說,正向輻射即θ=0°時輻射能量達(dá)到最大值,則需要滿足：φ(0)-π-2kh=2Nπ,N=1,2,3,…,n,由此可以得到滿足諧振條件的腔體高度：

(3)

可以看出,腔體高度主要取決于工作波長以及PRS的反射相位φ2。在此諧振條件下,方向圖函數(shù)最大值為[2]：

(4)

相較于單個饋源而言,F-P諧振腔天線的增益增強量為：

(5)

2 饋源天線設(shè)計

F-P諧振腔的饋源采用雙模介質(zhì)諧振器天線,如圖2所示。DRA由介質(zhì)基板及其上側(cè)的2塊介質(zhì)諧振器構(gòu)成,介質(zhì)基板采用Rogers-4003(相對介電常數(shù)εr=3.55,損耗角正切tanδ=0.002 7),耦合縫隙和饋線微帶分別位于基板上下側(cè)。雙層介質(zhì)諧振器位于基板的中心,材料采用Rogers-6010和Rogers-5880,相對介電常數(shù)和損耗角正切分別為εr1=10.2,tanδ1=0.002,εr2=2.2,tanδ2=0.001。

圖2 雙模DRA結(jié)構(gòu)示意圖

仿真得到DRA的反射系數(shù)和軸向增益曲線如圖3所示,可以看出該DRA反射系數(shù)小于-10 dB的工作頻帶為7.89～12.17 GHz,頻帶內(nèi)峰值增益為9.1 dB。表1給出了優(yōu)化后DRA的具體參數(shù)。

表1 DRA參數(shù) mm

圖3 雙模DRA仿真結(jié)果

3 部分反射表面設(shè)計

按照F-P諧振腔天線的高增益原理,需要設(shè)計一款工作頻帶與饋源天線一致的部分反射表面。為了同時兼顧對工作頻帶外的電磁波的吸收性能,在帶通型頻率選擇表面的上方放置一層損耗層,二者構(gòu)成頻率選擇性吸波結(jié)構(gòu)FSR,作為F-P諧振腔天線的部分反射表面,其物理結(jié)構(gòu)和等效模型如圖4所示。

圖4 FSR仿真結(jié)構(gòu)及其等效電路模型

損耗層由加載8個阻值均為180 Ω貼片電阻的金屬環(huán)形諧振器構(gòu)成,其中并聯(lián)螺線電感和折疊帶線分別位于介質(zhì)基板兩側(cè),并通過金屬化過孔相連。與入射波電磁波電場強度矢量極化方向一致的損耗層金屬線上會產(chǎn)生感應(yīng)電流,并集中在沿線的螺線電感和折疊帶線上。當(dāng)FSR工作在吸波頻段,約束在金屬折線上的電流經(jīng)過沿線的電阻被損耗掉;當(dāng)FSR工作在透波頻段,即金屬折線的諧振頻率處時,集中在金屬折線上的電流將透過阻抗表面層和帶通層,實現(xiàn)低損耗透波,而沿線的電阻并不會損耗能量。帶通層由“正方形金屬貼片-介質(zhì)基板-金屬柵格-介質(zhì)基板-正方形金屬貼片”構(gòu)成多層互補結(jié)構(gòu),考慮到實際加工中帶狀線兩側(cè)介質(zhì)基板之間需要填充1層0.1 mm厚的半固化片,其介電常數(shù)為3.55。

仿真得到垂直入射情況下FSR的S參數(shù)和吸波率,如圖5所示。該FSR的1 dB傳輸損耗頻帶為8.07 GHz～11.8 GHz,相對帶寬為37.54%。X波段內(nèi)最小傳輸損耗為0.25 dB,最大傳輸損耗為-1.32 dB。90%吸波率頻帶為1.9 GHz～4.8 GHz和13.3 GHz～14.9 GHz,相對帶寬分別為86.6%和11.3%,峰值吸波率為98.7%。表2給出了其具體參數(shù)。

表2 FSR物理參數(shù) mm

圖5 FSR仿真結(jié)果

4 F-P諧振天線性能分析

將部分反射表面放置在饋源天線上方以構(gòu)成F-P諧振結(jié)構(gòu),如圖6所示。

圖6 FSR與DRA構(gòu)成的F-P諧振天線示意圖

為了定量地確定腔體地高度以得到盡量大的增益增強量,需要對不同入射角情況下FSR的反射系數(shù)的相位和幅度進(jìn)行分析,如圖7所示。在工作頻帶內(nèi),不同入射角對應(yīng)的反射系數(shù)相位φ2均在180°左右,由式(3)即可得到滿足F-P諧振條件的最小腔體高度hmin=λ0/2=15 mm,其中λ0=30 mm,為中心頻率10 GHz對應(yīng)的工作波長?？紤]到隨著入射角的增大,反射系數(shù)的幅度變化愈為明顯,對其取不同入射角對應(yīng)的反射系數(shù)幅度的平均值Rave為：

圖7 FSR在不同入射角情況下的反射系數(shù)的相位和幅度

(6)

式中：θN-1=θmax,為F-P諧振腔上層FSR至饋源中心的斜入射角,假設(shè)正方形諧振腔的物理口徑Ae=W2,則θmax為：

(7)

則F-P諧振腔天線的增益增強量計算公式(5)修正為：

(8)

由此可以定量地分析Fabry-Perot諧振腔天線的增益增強效果。

對雙模介質(zhì)諧振器天線和F-P諧振腔天線進(jìn)行了加工測試,如圖8(a)所示。在天線四周采用4個尼龍螺絲和螺柱將其固定,測試結(jié)果與仿真結(jié)果對比如圖8(b)、(c)所示,可以看出,天線的2個諧振點略有偏移,這主要是由于介質(zhì)諧振器與底部基板壓合時位置產(chǎn)生了小額的偏移,但帶內(nèi)整體反射系數(shù)均在-9 dB以下,其帶內(nèi)增益略有下降但整體與全波仿真結(jié)果吻合。相較于介質(zhì)諧振器天線,Fabry-Perot諧振腔天線的增益能實現(xiàn)4.26 dB的最大增強量,帶內(nèi)最大峰值增益為12.1dBi@11.5 GHz。1 dB和3 dB增益帶寬(即峰值增益下降1 dB和3 dB所對應(yīng)的相對帶寬)分別為26.98%和33.64%。圖9給出了10 GHz和12 GHz處的二維方向圖對比結(jié)果。圖10為恒電波(TE)和恒磁波(TM)極化下等口徑金屬反射平面與F-P諧振腔天線在近似垂直入射條件下的RCS對比,在2 GHz～16 GHz內(nèi)能實現(xiàn)較低的RCS。

圖8 天線實物與測試結(jié)果

圖9 DRA加載FSR前后的方向圖對比

圖10 F-P諧振腔天線相較于等口徑的金屬反射平面的RCS

表3給出了該F-P諧振天線與近年來同種類型天線的對比,可以看出,可以增大諧振腔口徑的大小提高其峰值增益。本章所設(shè)計的F-P諧振腔天線可以在口徑大小與參考文獻(xiàn)相比擬的條件下,實現(xiàn)較高的增益,3 dB增益帶寬較寬,且能實現(xiàn)較好的RCS縮減效果。

表3 參考文獻(xiàn)對比

5 結(jié)束語

本文根據(jù)F-P諧振腔天線的基本原理,結(jié)合頻率選擇表面的相關(guān)設(shè)計理論與方法,設(shè)計了一款基于FSR的F-P諧振腔天線,所設(shè)計的天線與同類型天線相比,在相對口徑基本一致的條件下,具有較高的增益與低散射特性,仿真和實測表明均能實現(xiàn)較好的性能。