一种Fabry—Perot 谐振器天线

顾莹莹+张欣+娄莺+陈晓磊

【摘要】 设计了一种Fabry-Perot谐振器天线，相对于微带贴片天线而言具有较宽的频带和较高的增益。仿真结果表明，该天线的实用频带的相对带宽达到了7.7%，增益最大值达到了17.83dBi，能对电磁波起到较好的聚焦作用，并且在一定程度上改善了旁瓣和后瓣。

【关键词】 天线 Fabry-Perot U型缝隙矩形贴片 EBG

一、引言

微带贴片天线具有印刷电路工艺的全部优点，体积小、剖面低、制造成本低、易于结构共形、适合与电路集成，因而得到了广泛的应用。然而，传统的贴片天线是高Q值的谐振结构，导致了其频带较窄，一般在5%以下。此外，由于金属损耗和介质损耗的存在，使得贴片天线的效率较低，功率容量小。

Fabry-Perot谐振器最初应用在光学领域，其可以有选择地传播或反射特定波长的电磁波。鉴于Fabry-Perot谐振器结构对电磁波传播具有选频的作用，满足谐振条件的电磁波穿透Fabry-Perot谐振器后能同相叠加而增强。将此Fabry-Perot谐振器结构应用在天线系统中，也能明显提高天线的辐射定向性。

二、Fabry-Perot谐振器结构

在印刷天线上方加上盖板，构成Fabry-Perot谐振器结构，能够有效增大天线的增益。若选用一层介质型盖板结构，通常盖板与天线的间距取为λ/2，此时为了满足谐振条件，介质盖板的厚度应为λg/4（反射盖板的最佳值[1]）。

然而，在实际应用中，可选用的介质板厚度受限于产品规格，有时不能完全满足谐振要求。此外，如果在较低的频段上设计反射盖板，其λg/4的尺寸是不切实际的。因此考虑将单层较厚的介质盖板改换为两层有空气间隔而厚度较薄的介质盖板[2]。

三、宽频带馈源辐射器

馈源辐射器用于激励F-P谐振器，它的性能直接影响谐振器天线的特性。为了实现较宽的频带特性，需要选择宽频带的馈源辐射器。单层单贴片的宽带微带天线结构能够保证天线的低轮廓，同时当用于阵列时不会引入栅瓣。Huynh和Lee[3]报告了U型缝隙微带矩形贴片的测量结果，证明了其宽带特性。此后，Lee等[4]研究了一系列中心频率在4.5GHz左右的U型缝隙天线，同样证明了其宽带性能，并分析了不同参数对天线性能的影响。该天线结构可以实现宽频带或双频带性能，增益大约为7dBi。

此处馈源辐射器选用的是U型缝隙矩形贴片结构（如图1示）。

U型缝隙矩形贴片是用单层单贴片实现宽频带或双频性能的典型例子。沿着缝隙边缘的电流引入了另一个谐振，产生了宽带或双频响应；缝隙引入了容性电抗，与探针引入的感性电抗形成了第三个谐振机理；其辐射场是线极化的，E面平行于垂直的缝，H面平行于水平的缝，半功率波瓣宽度比普通的贴片天线窄[5]。

四、Fabry-Perot谐振器天线

4.1天线结构

为了同时实现宽频带和高增益的性能，选用宽频带的U型缝隙贴片作为馈源，其上方平行放置双层介质盖板，上层为介质EBG板，下层为均匀介质板，如图2示。其中，两层盖板的间距为dc，下层盖板与天线的间距为hc。

4.2参数设计

本文的参数设计和仿真结果是借助CST微波工作室仿真得到的。

两层盖板均选用介电常数，厚度h=1.27mm的介质材料，其中上层介质钻孔的EBG结构中，周期单元呈60°菱形结构排列，周期尺寸，空气孔半径r=3.7mm，该结构对14GHz的电磁波具有二维全方向的电磁带隙[6]，基于此将14GHz定为整个天线结构的中心频率。

设计天线时首先初步选取U型缝隙贴片馈源结构的各个参数值，使馈源的谐振频率略高于14GHz；根据天线结构谐振频率的要求，选定dc=5.4mm，hc=9.6mm；再对U型缝隙贴片馈源结构的各个参数值进行优化，保证天线的高增益和宽频带性能。最终选定的参数如下：Px=9.3mm、Py=4.8mm、ux=5.2mm、uy=3.7mm、Wv=Wh=0.6mm、su=0.5mm、fy=2.4mm。

4.3仿真结果

采用上述参数设计，对天线性能进行了仿真，结果如下：

阻抗频带（-10dB回波损耗）为 （13.49-15.91） GHz，相对带宽为17.3%；增益在14GHz达到最大值17.83dBi，3dB增益频带为 （13.51-14.59） GHz，相对带宽为7.7%；其实用频带（阻抗频带和增益频带的公共部分）即为 （13.51-14.59） GHz，相对带宽7.7%；E/H面辐射方向性图的主瓣半功率宽度为18度/18.5度，对电磁波起到了聚焦作用；E面波瓣图的旁瓣比主瓣低，为-15.3dB，也就是说旁瓣有所改善；后瓣很小，前后比约为23.4dB。

因此，这种Fabry-Perot谐振器天线结构实现了宽频带、高增益的性能；同时改善了旁瓣的大小，降低了天线的高度。

五、结语

本文提出了一种Fabry-Perot谐振器天线，通过在U型缝隙矩形贴片上方叠加双层介质盖板，能够在保证天线小型化的基础上实现宽频带和高增益。

参 考 文 献

[1] Xiao-Hai Shen， Guy A.E. Vandenbosch， Antoine R and Van de Capelle. “Study of Gain Enhancement Method for Microstrip Antennas Using Moment Method”， IEEE trans. on Ant. & Prop，. vol. 43， no. 3， Mar. 1995， pp. 227-231.

[2]葛志晨，“电磁带隙结构在宽频带高增益印刷天线中的应用”，东南大学硕士论文，2005。

[3] T. Huynh and K.F. Lee， “Single-Layer Single-Patch Wideband Microstrip Antenna，” Electron. Lett.， Vol. 31， No. 16， 1995， pp. 1310-1312.

[4] K.F. Lee， K.M. Luk， Y.L. Yung， K.F. Tong， and T. Huynh， “Experimental Study of the Rectangular Patch with a U-Shaped Slot，” IEEE-APS Inter. Symp. Dig.， 1996， pp. 10-13.

[5] K.F. Lee and W. Chen， “Advances in Microstrip and Printed Antennas，” Wiley-Interscience， 1997.

施晓琼，“介质PBG结构的研究和应用”，东南大学硕士论文，2003。

【摘要】 设计了一种Fabry-Perot谐振器天线，相对于微带贴片天线而言具有较宽的频带和较高的增益。仿真结果表明，该天线的实用频带的相对带宽达到了7.7%，增益最大值达到了17.83dBi，能对电磁波起到较好的聚焦作用，并且在一定程度上改善了旁瓣和后瓣。

【关键词】 天线 Fabry-Perot U型缝隙矩形贴片 EBG

一、引言

微带贴片天线具有印刷电路工艺的全部优点，体积小、剖面低、制造成本低、易于结构共形、适合与电路集成，因而得到了广泛的应用。然而，传统的贴片天线是高Q值的谐振结构，导致了其频带较窄，一般在5%以下。此外，由于金属损耗和介质损耗的存在，使得贴片天线的效率较低，功率容量小。

Fabry-Perot谐振器最初应用在光学领域，其可以有选择地传播或反射特定波长的电磁波。鉴于Fabry-Perot谐振器结构对电磁波传播具有选频的作用，满足谐振条件的电磁波穿透Fabry-Perot谐振器后能同相叠加而增强。将此Fabry-Perot谐振器结构应用在天线系统中，也能明显提高天线的辐射定向性。

二、Fabry-Perot谐振器结构

在印刷天线上方加上盖板，构成Fabry-Perot谐振器结构，能够有效增大天线的增益。若选用一层介质型盖板结构，通常盖板与天线的间距取为λ/2，此时为了满足谐振条件，介质盖板的厚度应为λg/4（反射盖板的最佳值[1]）。

然而，在实际应用中，可选用的介质板厚度受限于产品规格，有时不能完全满足谐振要求。此外，如果在较低的频段上设计反射盖板，其λg/4的尺寸是不切实际的。因此考虑将单层较厚的介质盖板改换为两层有空气间隔而厚度较薄的介质盖板[2]。

三、宽频带馈源辐射器

馈源辐射器用于激励F-P谐振器，它的性能直接影响谐振器天线的特性。为了实现较宽的频带特性，需要选择宽频带的馈源辐射器。单层单贴片的宽带微带天线结构能够保证天线的低轮廓，同时当用于阵列时不会引入栅瓣。Huynh和Lee[3]报告了U型缝隙微带矩形贴片的测量结果，证明了其宽带特性。此后，Lee等[4]研究了一系列中心频率在4.5GHz左右的U型缝隙天线，同样证明了其宽带性能，并分析了不同参数对天线性能的影响。该天线结构可以实现宽频带或双频带性能，增益大约为7dBi。

此处馈源辐射器选用的是U型缝隙矩形贴片结构（如图1示）。

U型缝隙矩形贴片是用单层单贴片实现宽频带或双频性能的典型例子。沿着缝隙边缘的电流引入了另一个谐振，产生了宽带或双频响应；缝隙引入了容性电抗，与探针引入的感性电抗形成了第三个谐振机理；其辐射场是线极化的，E面平行于垂直的缝，H面平行于水平的缝，半功率波瓣宽度比普通的贴片天线窄[5]。

四、Fabry-Perot谐振器天线

4.1天线结构

为了同时实现宽频带和高增益的性能，选用宽频带的U型缝隙贴片作为馈源，其上方平行放置双层介质盖板，上层为介质EBG板，下层为均匀介质板，如图2示。其中，两层盖板的间距为dc，下层盖板与天线的间距为hc。

4.2参数设计

本文的参数设计和仿真结果是借助CST微波工作室仿真得到的。

两层盖板均选用介电常数，厚度h=1.27mm的介质材料，其中上层介质钻孔的EBG结构中，周期单元呈60°菱形结构排列，周期尺寸，空气孔半径r=3.7mm，该结构对14GHz的电磁波具有二维全方向的电磁带隙[6]，基于此将14GHz定为整个天线结构的中心频率。

设计天线时首先初步选取U型缝隙贴片馈源结构的各个参数值，使馈源的谐振频率略高于14GHz；根据天线结构谐振频率的要求，选定dc=5.4mm，hc=9.6mm；再对U型缝隙贴片馈源结构的各个参数值进行优化，保证天线的高增益和宽频带性能。最终选定的参数如下：Px=9.3mm、Py=4.8mm、ux=5.2mm、uy=3.7mm、Wv=Wh=0.6mm、su=0.5mm、fy=2.4mm。

4.3仿真结果

采用上述参数设计，对天线性能进行了仿真，结果如下：

阻抗频带（-10dB回波损耗）为 （13.49-15.91） GHz，相对带宽为17.3%；增益在14GHz达到最大值17.83dBi，3dB增益频带为 （13.51-14.59） GHz，相对带宽为7.7%；其实用频带（阻抗频带和增益频带的公共部分）即为 （13.51-14.59） GHz，相对带宽7.7%；E/H面辐射方向性图的主瓣半功率宽度为18度/18.5度，对电磁波起到了聚焦作用；E面波瓣图的旁瓣比主瓣低，为-15.3dB，也就是说旁瓣有所改善；后瓣很小，前后比约为23.4dB。

因此，这种Fabry-Perot谐振器天线结构实现了宽频带、高增益的性能；同时改善了旁瓣的大小，降低了天线的高度。

五、结语

本文提出了一种Fabry-Perot谐振器天线，通过在U型缝隙矩形贴片上方叠加双层介质盖板，能够在保证天线小型化的基础上实现宽频带和高增益。

参 考 文 献

[1] Xiao-Hai Shen， Guy A.E. Vandenbosch， Antoine R and Van de Capelle. “Study of Gain Enhancement Method for Microstrip Antennas Using Moment Method”， IEEE trans. on Ant. & Prop，. vol. 43， no. 3， Mar. 1995， pp. 227-231.

[2]葛志晨，“电磁带隙结构在宽频带高增益印刷天线中的应用”，东南大学硕士论文，2005。

[3] T. Huynh and K.F. Lee， “Single-Layer Single-Patch Wideband Microstrip Antenna，” Electron. Lett.， Vol. 31， No. 16， 1995， pp. 1310-1312.

[4] K.F. Lee， K.M. Luk， Y.L. Yung， K.F. Tong， and T. Huynh， “Experimental Study of the Rectangular Patch with a U-Shaped Slot，” IEEE-APS Inter. Symp. Dig.， 1996， pp. 10-13.

[5] K.F. Lee and W. Chen， “Advances in Microstrip and Printed Antennas，” Wiley-Interscience， 1997.

施晓琼，“介质PBG结构的研究和应用”，东南大学硕士论文，2003。

【摘要】 设计了一种Fabry-Perot谐振器天线，相对于微带贴片天线而言具有较宽的频带和较高的增益。仿真结果表明，该天线的实用频带的相对带宽达到了7.7%，增益最大值达到了17.83dBi，能对电磁波起到较好的聚焦作用，并且在一定程度上改善了旁瓣和后瓣。

【关键词】 天线 Fabry-Perot U型缝隙矩形贴片 EBG

一、引言

微带贴片天线具有印刷电路工艺的全部优点，体积小、剖面低、制造成本低、易于结构共形、适合与电路集成，因而得到了广泛的应用。然而，传统的贴片天线是高Q值的谐振结构，导致了其频带较窄，一般在5%以下。此外，由于金属损耗和介质损耗的存在，使得贴片天线的效率较低，功率容量小。

Fabry-Perot谐振器最初应用在光学领域，其可以有选择地传播或反射特定波长的电磁波。鉴于Fabry-Perot谐振器结构对电磁波传播具有选频的作用，满足谐振条件的电磁波穿透Fabry-Perot谐振器后能同相叠加而增强。将此Fabry-Perot谐振器结构应用在天线系统中，也能明显提高天线的辐射定向性。

二、Fabry-Perot谐振器结构

在印刷天线上方加上盖板，构成Fabry-Perot谐振器结构，能够有效增大天线的增益。若选用一层介质型盖板结构，通常盖板与天线的间距取为λ/2，此时为了满足谐振条件，介质盖板的厚度应为λg/4（反射盖板的最佳值[1]）。

然而，在实际应用中，可选用的介质板厚度受限于产品规格，有时不能完全满足谐振要求。此外，如果在较低的频段上设计反射盖板，其λg/4的尺寸是不切实际的。因此考虑将单层较厚的介质盖板改换为两层有空气间隔而厚度较薄的介质盖板[2]。

三、宽频带馈源辐射器

馈源辐射器用于激励F-P谐振器，它的性能直接影响谐振器天线的特性。为了实现较宽的频带特性，需要选择宽频带的馈源辐射器。单层单贴片的宽带微带天线结构能够保证天线的低轮廓，同时当用于阵列时不会引入栅瓣。Huynh和Lee[3]报告了U型缝隙微带矩形贴片的测量结果，证明了其宽带特性。此后，Lee等[4]研究了一系列中心频率在4.5GHz左右的U型缝隙天线，同样证明了其宽带性能，并分析了不同参数对天线性能的影响。该天线结构可以实现宽频带或双频带性能，增益大约为7dBi。

此处馈源辐射器选用的是U型缝隙矩形贴片结构（如图1示）。

U型缝隙矩形贴片是用单层单贴片实现宽频带或双频性能的典型例子。沿着缝隙边缘的电流引入了另一个谐振，产生了宽带或双频响应；缝隙引入了容性电抗，与探针引入的感性电抗形成了第三个谐振机理；其辐射场是线极化的，E面平行于垂直的缝，H面平行于水平的缝，半功率波瓣宽度比普通的贴片天线窄[5]。

四、Fabry-Perot谐振器天线

4.1天线结构

为了同时实现宽频带和高增益的性能，选用宽频带的U型缝隙贴片作为馈源，其上方平行放置双层介质盖板，上层为介质EBG板，下层为均匀介质板，如图2示。其中，两层盖板的间距为dc，下层盖板与天线的间距为hc。

4.2参数设计

本文的参数设计和仿真结果是借助CST微波工作室仿真得到的。

两层盖板均选用介电常数，厚度h=1.27mm的介质材料，其中上层介质钻孔的EBG结构中，周期单元呈60°菱形结构排列，周期尺寸，空气孔半径r=3.7mm，该结构对14GHz的电磁波具有二维全方向的电磁带隙[6]，基于此将14GHz定为整个天线结构的中心频率。

设计天线时首先初步选取U型缝隙贴片馈源结构的各个参数值，使馈源的谐振频率略高于14GHz；根据天线结构谐振频率的要求，选定dc=5.4mm，hc=9.6mm；再对U型缝隙贴片馈源结构的各个参数值进行优化，保证天线的高增益和宽频带性能。最终选定的参数如下：Px=9.3mm、Py=4.8mm、ux=5.2mm、uy=3.7mm、Wv=Wh=0.6mm、su=0.5mm、fy=2.4mm。

4.3仿真结果

采用上述参数设计，对天线性能进行了仿真，结果如下：

阻抗频带（-10dB回波损耗）为 （13.49-15.91） GHz，相对带宽为17.3%；增益在14GHz达到最大值17.83dBi，3dB增益频带为 （13.51-14.59） GHz，相对带宽为7.7%；其实用频带（阻抗频带和增益频带的公共部分）即为 （13.51-14.59） GHz，相对带宽7.7%；E/H面辐射方向性图的主瓣半功率宽度为18度/18.5度，对电磁波起到了聚焦作用；E面波瓣图的旁瓣比主瓣低，为-15.3dB，也就是说旁瓣有所改善；后瓣很小，前后比约为23.4dB。

因此，这种Fabry-Perot谐振器天线结构实现了宽频带、高增益的性能；同时改善了旁瓣的大小，降低了天线的高度。

五、结语

本文提出了一种Fabry-Perot谐振器天线，通过在U型缝隙矩形贴片上方叠加双层介质盖板，能够在保证天线小型化的基础上实现宽频带和高增益。

参 考 文 献

[1] Xiao-Hai Shen， Guy A.E. Vandenbosch， Antoine R and Van de Capelle. “Study of Gain Enhancement Method for Microstrip Antennas Using Moment Method”， IEEE trans. on Ant. & Prop，. vol. 43， no. 3， Mar. 1995， pp. 227-231.

[2]葛志晨，“电磁带隙结构在宽频带高增益印刷天线中的应用”，东南大学硕士论文，2005。

[3] T. Huynh and K.F. Lee， “Single-Layer Single-Patch Wideband Microstrip Antenna，” Electron. Lett.， Vol. 31， No. 16， 1995， pp. 1310-1312.

[4] K.F. Lee， K.M. Luk， Y.L. Yung， K.F. Tong， and T. Huynh， “Experimental Study of the Rectangular Patch with a U-Shaped Slot，” IEEE-APS Inter. Symp. Dig.， 1996， pp. 10-13.

[5] K.F. Lee and W. Chen， “Advances in Microstrip and Printed Antennas，” Wiley-Interscience， 1997.

施晓琼，“介质PBG结构的研究和应用”，东南大学硕士论文，2003。