一种低轮廓的Fabry—Perot谐振器天线

顾莹莹 张欣 唐晓明 陈晓磊

【摘要】 通过在Fabry-Perot谐振器天线的馈源所在的平面上引入高阻抗表面，能有效地降低天线的高度，并且在一定程度上改善了旁瓣和后瓣。

【关键词】 天线 Fabry-Perot 低轮廓 高阻抗表面

一、引言

Fabry-Perot谐振器天线结构对频率的变化较为敏感：为了实现选频特性，电磁波在谐振器内传播的相位应为π的整数倍，这样才能保证每次透射过去的波同相叠加，起到加强的效果。当电磁波在两块反射板上的反射相位均为π时，要求该结构的高度至少为λ/2，这样就使得整个天线结构厚度较大，不满足低轮廓的要求。

二、高阻抗表面结构

高阻抗表面结构是EBG结构的一种，是由金属和介质两种材料组成的结构，它通过在背衬接地板的介质基片表面印刷二维周期排列的金属图案（其中蘑菇型结构[1]还用金属过孔将每个金属周期单元与接地板相连接），来实现高阻抗表面的性能。

由于高阻抗表面结构的周期尺寸远小于工作波长，适合用集总参数电路元件组成的等效LC并联谐振电路来描述其电磁特性。该结构之所以被称为“高阻抗表面”，是因为其表面在一定频带内对正投射波呈现高阻抗特性，使反射波与入射波的场强同相。鉴于这种反射的同相性质可视为等效的人工磁导体 （AMC），若用来代替电导体作为天线的反射板，可使天线实现低轮廓结构。此外，高阻抗表面对于沿其表面传播的电磁波也呈现带隙特性，应用于印刷天线时能有效地抑制表面波在介质基片中的传播，减小天线的后向辐射，提高天线效率和增益值，改善天线的辐射性能。

共面高阻抗表面结构简单，不需要金属过孔。Itoh等人首先提出共面紧凑型-光子带隙（UC-PBG）高阻抗表面结构[2]。该结构也可以看作是频率选择表面 （Frequency Selective Surface， FSS） 加上接地板，其中，频率选择表面对应二维周期排列的金属贴片，能够有效地反射或传输特定频率范围内的电磁波，可用作带阻或带通滤波器[3]。

三、采用高阻抗表面的Fabry-Perot谐振器天线

3.1高阻抗表面及其结构参数

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。

高阻抗表面结构不仅能够实现所要求的反射相位，而且可以在一定程度上抑制表面波。在文献[4]中，为了降低天线的轮廓，在与天线共面的介质上印刷了周期的方形贴片，形成了一种人工磁导体结构。通过选择合适的周期尺寸和贴片大小，能使得该表面在天线的工作频段内对电磁波的反射呈现磁导体的性能，可以使天线的整体轮廓降低到原来的一半。

为了保证天线结构的宽频带，此处选用的是方形贴片FSS背衬接地板的高阻抗表面结构，这种结构频带较宽，对于斜入射角度的敏感性较弱，且结构简单，易于实现。其周期单元与反射相位性能如图1所示。

由于高阻抗表面结构与馈源辐射器共面，其共用同一块介质板：此处选用介电常数为3.2、厚度为1.6 mm、面积为62 62 mm2的介质板。通过优化得到周期单元的尺寸参数：周期大小a=5.5mm，贴片尺寸c=3.3mm，该表面在14GHz时的反射相位约为45度。由于天线结构的高度与中心频率14GHz处的反射相位相关，将馈源上方的反射盖板的反射相位看作180度，则计算得到的盖板与辐射馈源的距离应为6.7mm。

（a） 高阻抗表面单元 （b） 反射相位性能

图1高阻抗表面单元结构及反射相位性能

3.2天线结构

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[5]，在馈源辐射器的周围引入周期排列的方形贴片结构，如图2所示：

（a） 天线整体结构 （b） 馈源部分

图2 采用高阻抗表面的Fabry-Perot谐振器天线

3.3仿真结果

经过优化，实际选取的天线间距为hc=7.6mm（而采用普通导体表面天线时hc=9.6mm），该天线结构的阻抗频带（-10dB回波损耗）为 13.67-14.5 GHz，相对带宽为5.96%；增益在14GHz达到最大值17.75dBi，3dB增益频带为 13.71-14.54 GHz，相对带宽为5.93%；其实用频带（阻抗频带和增益频带的公共部分）为 13.71-14.5 GHz，相对带宽5.64%；E/H面辐射方向性图的主瓣半功率宽度为18.8度/19.8度，对电磁波起到了聚焦作用；E面波瓣图的旁瓣电平-15.5dB，前后比约为24.3dB，性能较好。

这种采用高阻抗表面的Fabry-Perot谐振器天线比采用普通导体表面天线进一步减小了结构高度，实现了低轮廓，且改善了旁瓣与后瓣电平。

四、结语

本文提出了一种采用了高阻抗表面的Fabry-Perot谐振器天线，通过在U型缝隙矩形贴片周边设置周期排布的方形贴片，形成了一种人工磁导体结构，能够有效地降低天线的高度。

参 考 文 献

[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，“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。