一种Ku波段多频高增益天线研究*

李琮琮

(民航安徽空管分局,合肥 231271)

一种Ku波段多频高增益天线研究*

李琮琮*

(民航安徽空管分局,合肥 231271)

针对传统平板天线频带单一,增益不高,方向性差等缺点,将电磁波的增强透射特性研究应用到天线的设计中,结合类F-P腔原理,设计了一款具有双频带、高增益的波导缝隙天线。天线在中心频率10.9 GHz和13.7 GHz的增益分别达到了10.8 dB和11.4 dB,并且相对于传统单缝波导天线,天线在中心频率点处E面的半波功率波束宽度分别减小了114°和90°。仿真结果和实测结果吻合度较高,尤其频带处于在Ku波段,在卫星雷达领域具有很大的应用价值。

天线;透射增强;类F-P腔;双频;高增益

近年来,金属周期性亚波长结构的透射增强现象研究已经得到了愈来愈多的学者们的关注[1-3]。众所周知,金属对电磁波具有屏蔽作用,但是Ebbesen等人研究发现光束通过亚波长金属小孔时,会产生透射增强现象,而且此现象在微波波段同样产生了类似的特性。Beruete M等人[4-8]将这种特性应用在天线的设计中,天线的辐射性能得到了极大的提升。与此同时,F-P腔谐振原理在多年前已经被证实,Boutayeb H K等人结合了F-P腔结构[9],设计了一款高性能平板天线,验证了它在微波器件领域中的应用价值。另外,气象雷达由于需要适应恶劣环境的、长时间保持高效率工作等原因,对雷达天线的要求很高。波导天线因其稳定的性能、紧凑的结构以及便于安装等优点,被广泛应用于雷达通信中,多频段和高效率特性的新型天线能更加良好地匹配各种通讯系统,尤其是在气象雷达等领域,一款高效率的Ku波段天线的作用更是显得意义重大。本文在透射增强的理论基础上,结合了类F-P腔谐振原理,采用波导同轴馈电,设计了一款具有双频带,高增益,窄波束的波导缝隙天线。通过在金属板内部天添加谐振腔结构,形成LC谐振回路,天线的实现了更好的阻抗匹配,金属板上的褶皱结构以及外围的反射覆盖层结构进一步改善了天线的辐射特性。该天线具有质量轻,成本低,高效率等特点,具有很高的实用价值。

1 天线结构设计

天线的结构如图1所示,从图1可以看到天线主体结构是由两块金属板和一个覆盖板以及一个泡沫板组成,泡沫板的作用是起支撑固定作用,对天线性能不产生任何影响。如图1(a)所示,辐射孔在上层金属板的中央。在下层金属板的中央,设计了一个腔体结构,如图1(b)所示,金属板两边褶皱结构的宽度和高度是在HFSS中优化。

图1 天线的结构图

由于谐振腔的存在,传统设计褶皱结构的计算公式不再适用本文,对公式进行合理修改后得到一个近似的参数式(1),金属板沟槽的深度和金属层的厚度可根据式(1)近似计算得到:

(1)

式中:λ是自由空间的波长。但是仿真结果表明高谐振频率13.7 GHz处的增益提高的不是很多。为了进一步提高天线在频率13.7 GHz处的前向增益(FPG),结合F-P腔理论,在天线金属层上方引入了覆盖层结构,覆盖层的相对介电常数εr=9.8,δ=0.001,在实际制作过程中需要在覆盖层和金属层之间放置泡沫板来固定支撑,覆盖层与金属面的距离为h,这样就形成了一个类似F-P谐振腔,如图2所示。

(2)

G=(1+p)/(1-p)

(3)

图2 F-P腔原理图

根据F-P谐振腔理论,覆盖层和天线金属部分的条件应该满足式(2)中的关系,这个时候式(3)中的能量密度G才能达到最大,天线的增益也可以有效地提高。φ1和φ2是覆盖层和地板的反射相位,在天线设计中,金属面相当于地板作用。通过仿真,覆盖层在频率13.7 GHz处反射相位φ1=180°,再根据式(2),可以计算得到h=λ/2。基于以上理论,天线所有的参数在全波电磁分析软件HFSS 13.0中完成了优化,表1中提供了部分参数的最终优化结果。

表1 天线各尺寸参数 单位:mm

图3 天线的实物图

2 参数优化及结果分析

天线的实物图,如图3所示。通过矢量网络分析仪Agilent8722ET(50MHz～40GHz)测量分析了天线在10GHz～15GHz频率范围内的回波损耗,结果如图4所示。

图4 天线的回波损耗

天线的两个谐振频率点分别为10.9GHz和13.7GHz,仿真结果和测试结果吻合度较高,由于加工的误差以及采用的是波导同轴馈电的原因,实测的时候会有部分能量损失,从而导致回波损耗曲线中频率的发生小的偏移,整体是在可接受的范围内,达到的设计的要求。

图6 天线的E面和H面方向图

天线通过同轴波导馈电,电磁波从下层金属板的底部缝隙耦合进入金属谐振腔,然后通过上层金属板的辐射缝隙辐射出去。整个传输过程中存在两种谐振模式,形成两个中心谐振频率,分别为垂直方向和水平方向的谐振,两种模式是相互独立的。垂直方向的谐振主要是由天线金属部分的高度决定,引入了谐振腔结构后,与传统平板天线相比较,通过调节金属板中谐振腔的高度,不仅可以实现更好的阻抗匹配,金属的高度减少近一半,从图5(a)可以看出,它对高谐振频率点的大小有着显著的影响,当谐振腔的高度e=5.0mm时,天线的性能处于比较好的状态。另外,对于水平方向的谐振,由图5(b)可以看出,上层小金属板的辐射缝隙的长度对于低谐振频率的影响比较显著,当b=14.5mm的时候,天线的性能处于最佳的状态。

图5 参数对天线中心频率的影响

天线在中心频率10.9GHz和13.7GHz处的E面和H面归一化方向图如图6所示。从图6可以看到,相比较于传统平板天线,天线的增益和方向性有了很大的提升。图6(a)和图6(b)中,可以很清楚地看到天线的增益在10.9GHz处提高了有5.4dB,E面的HPBW减少了114°左右。根据透射增强特性原理,可以理解为在没有引入覆盖反射结构时,天线的增益的提高是由于金属板两侧的对称褶皱结构的作用,当电磁波从辐射缝隙单元辐射出来的时候,电磁波沿着金属表面有着横向的传播,传播到沟槽部分时,发生了谐振,形成二次辐射元,并且与主源在远场处形成类似相干叠加的效应,从而大大提高了天线的辐射特性。另外,引入反射覆盖层结构对该振频率10.9GHz的增益没有直接影响,但是该谐振频率处E面和H面的波束宽度得到了进一步的优化,天线的方向性得到提高。

图6(c)和图6(d)中天线在频率13.7GHz处的增益调高了近4.8dB,E面的HPBW减少了90°,H面的波束宽度也得到了一定优化。反射覆盖层结构对该频率处的辐射方向性影响特别大,可以解释为金属和反射板之间形成了类似于F-P腔的结构,设计过程中,式(2)中的f是13.7GHz,根据F-P腔原理,该结构在频率13.7GHz产生了谐振,此时对该频率处的辐射特性提升会非常显著,实验结果也验证了这个结论。

3 结束语

通过引入金属褶皱结构和反射板结构以及谐振腔结构,设计了一款具有双频带、高增益以及窄波束特性的波导缝隙天线,内嵌谐振腔结构的存在,天线实现了更好地阻抗匹配,同时电磁波在谐振腔和辐射缝隙单元传输中的横向和纵向谐振产生了双频特性。仿真和实测结果吻合度较高,证明了此天线的良好辐射特性,在雷达等通讯系统中有着广泛的应用前景。

[1] Ebbesen T W,Lezec H J,Ghaemi H F,et al. Extraordinary Optical Transmission Through Sub-Wavelength Hole Arrays[J]. Nature,1998,391:667-669.

[2] Wang Liang,Cao Jinxiang,Lü You,et al. Experimental Study of Surface-Wave-Assisted Microwave Transmission Through a Single Subwavelength Slit[J]. Journal of Applied Physics,2009,105:093115-1-093115-6.

[3] 王亚伟,孟增辉,冯伟,等. 介质覆层下金属周期结构变化对TE波异常透射特性的影响[J]. 光学学报,2012,32(2):0231002-1-0231002-6.

[4] Beruete M,Campillo I,Dolado J S,et al. Dual-Band Low-Profile Corrugated Feeder Antenna[J]. IEEE Trans. Antennas Propag,2006,54(2):340-350.

[5] Han Wangwang,Yang Feng,Jun Ouyang,et al. Low-Cost Wideband and High-Gain Slotted Cavity Antenna Using High-Order Modes for Millimeter-Wave Application[J]. IEEE Trans Antennas Propag,2015,63(11):4624-4631.

[6] Qin Kun,Li Minquan,Xia Huimin,et al. A New Compact Aperture-Coupled Microstrip Antenna with Corrugated Ground Plane[J]. IEEE Antennas Wireless Propag,2012,11.

[7] Huang GuanLong,Zhou Shigang,Chio Tanhuat,et al. Broadband and High Gain Waveguide-Fed Slot Antenna Array in the Ku-Band[J]. IET Microw. Antennas Propag,2014,8(13):1041-1046.

[8] Trentini G V. Partially Reflecting Sheet Arrays[J]. IRJE Trans. Antennas Propag,1956,4:666-671.

[9] Boutayeb H K,Mahdjoubi,Tarot A C,et al. Directivity of an Antenna Embedded Inside a Fabry-Perot Cavity:Analysis and Design[J]. Microwave Opt Technol Lett,2006,48(1):12-17.

TheResearchofaMulti-BandHighGainAntennainKuband*

LICongcong*

(Anhui Branch of Civil Aviation Air Traffic Control,Hefei 231271,China)

For the disadvantages of traditional flat antenna,such as single frequency band,low gain and poor directivity,the enhanced transmission characteristic of electromagnetic wave is applied to the field of antenna,based on the theory of similar F-P resonant cavity,a novel dual-band and high gain waveguide slot antenna has been designed. The gain of the proposed antenna has reached almost 10.8 dB at 10.9 GHz and 11.4 dB at 13.7 GHz,respectively. Compared with the conventional one,the narrowed half-power beam width with of E-plane reduced 114 degrees at 10.8 GHz and 90 degrees at 13.7 GHz. The simulated result shows a good agreement with measured one,especially the frequency band belongs to Ku band,which means that the proposed antenna has a satisfied application value in satellite and radar field.

antenna;enhanced transmission;similar F-P cavity;dual-band;high gain

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.06.007

项目来源:民航专项资金项目(kj1405)

2016-11-10修改日期2017-01-05

TN822.6

A

1005-9490(2017)06-1364-04

李琮琮(1966-),女,汉族,安徽合肥人,本科。就职于民航安徽空管分局,气象雷达工程师,研究方向为航空气象技术装备,394406304@qq.com。