加载分形EBG地的低剖面Fabry-Perot谐振腔天线设计

范东伟， 赵晓磊， 刘宇峰， 张文梅

(山西大学 物理电子工程学院， 山西 太原 030006)

0 引 言

近年来， F-P谐振腔天线逐渐成为一种应用较为广泛的谐振腔天线[1]. F-P原先是实现多光束干涉的光学仪器， 之后这一结构被应用到天线领域来实现高增益. F-P谐振腔天线通过在辐射源天线上方加载具有特异性能的覆盖层， 与接地板构成F-P腔， 当天线覆盖层与接地板满足一定谐振距离时， 电磁波穿透覆盖层实现同相叠加， 从而提高天线增益和方向性， 锐化波束宽度[2-4]. 与传统的高增益天线相比， F-P谐振腔天线无需复杂的馈电网络， 结构更加简单， 同时， 也更易于生产加工.

对于传统的F-P谐振腔天线而言， 覆盖层的反射相位与接地板的反射相位均为180°， 剖面值为λ/2， 天线的体积过大， 不利于实际工程应用. 因而， 降低F-P谐振腔天线的剖面高度， 也就是如何将剖面值降低至λ/2以下， 成为了该种天线的重要研究方向. 目前， 降低F-P谐振腔天线剖面的方法有3种： 改变覆盖层反射相位[5]、 改变接地板反射相位[6]以及同时改变接地板及覆盖层的反射相位[7]. 通过加载人工电磁材料， 如频率选择表面、 EBG、 以及左手材料就可以实现接地板及覆盖层的反射相位变化[8-10].

本文所设计的F-P谐振腔天线通过在接地板上加载基于Minkowski分形结构[11]的EBG单元， 使得接地板的反射相位接近0°. 从而在保证天线其他性能良好的情况下， 天线整体剖面由传统的λ/2减小为λ/4.

1 F-P谐振腔天线工作原理

F-P谐振腔天线通常由辐射源天线、 覆盖层以及接地板3部分组成. 辐射源所辐射的电磁波在两板之间不断地反射与透射， 当覆盖层和接地板之间达到一个合适的距离时， 电磁波经过多次透射， 在覆盖层上方大致实现了同相叠加， 从而达到了高增益与高定向性的效果.

覆盖层的反射系数设计以及两板之间高度的选取对天线性能至关重要. 天线发生谐振时， 剖面高度需满足式(1)

(1)

式中：φR为覆盖层的反射相位；φG为接地板的反射相位；n为整数， 代表谐振模式.可以看出， 当谐振频率一定时， 波长λ一定， 天线的剖面值H仅与φR，φG有关.

2 天线结构

2.1 覆盖层设计

图 1 为覆盖层单元结构示意图. 单元由双面印制的金属贴片和介质构成， 单元周期P0=11.5 mm， 介质基板厚度为1.53 mm， 介电常数为3.38. 单元上层为宽度s1=1 mm的方形金属环. 单元下层由宽度s2=0.5 mm方形金属环和内嵌的边长l=7 mm方形贴片构成.

图 1 覆盖层单元Fig.1 The unit cell of PRS

根据上文中对F-P谐振腔天线工作原理的阐述中可以知道， F-P谐振腔天线的高增益及高定向性的实现是通过电磁波在覆盖层和接地板中不断地反射与透射， 因而， 当覆盖层和接地板的反射幅值越接近于1， 就越接近于全反射， 在这样的情况下， 电磁波的同相叠加效果就更为明显， 天线的增益及定向性就能更进一步得到提高， 从而实现更好的天线性能. 同时， 根据式(1)可知， 天线的剖面值H仅与φR，φG有关.因此， 必须通过改变φR，φG来降低天线的剖面值. 由于覆盖层及接地板为均匀分布， 其单元的反射系数也就代表了整体的反射系数， 所以， 可以通过研究单元的反射系数来研究天线的性能指标.

覆盖层单元的反射系数幅度和相位在图 1(c) 中给出. 可以看出， 在5.8 GHz处， 单元的反射系数幅值为0.93， 接近1， 反射效果良好，φR接近180°.

2.2 接地板设计

根据F-P谐振腔天线的谐振条件可以得到， 在波长一定的情况下， 天线的剖面高度是由φR，φG决定， 因此， F-P谐振腔天线的低剖面可以通过改变覆盖层或接地板的反射相位来实现. 由式(1)知， 覆盖层和接地板的高度应为λ/2. 通过利用电磁带隙结构EBG的零反射相位特性， 通过在接地板上加载EBG结构， 来改变接地板的反射相位. 采用二阶Minkowski分形结构来设计EBG单元， 减小了单元的尺寸， 使得接地板反射相位分布更加均匀.

如图 2 所示， EBG单元周期尺寸为P0=11.5 mm， 贴片边长为w2=10.5 mm， 贴片各边中间所开方形槽边长为w1=2.42 mm， 单元背面为金属.

(a) 单元结构

(b) 反射系数幅值及相位图 2 接地板EBG单元Fig.2 The structure of the ground plane

图 2(b) 给出在5.8 GHz处， 单元的反射系数幅值接近1， 同时， 接地板反射相位为φG=0°， 该设计成功地将接地板反射相位从传统金属接地板的180° 降低到0°， 将φR，φG代入式(1)可得， 天线的剖面值由传统F-P谐振腔天线的λ/2降低至λ/4.

2.3 F-P谐振腔天线设计

采用前文中所述的覆盖层单元和接地板加载的EBG单元来设计最终的低剖面F-P谐振腔天线. 天线工作频率为5.8 GHz， 覆盖层单元相位接近φR=180°， 接地板加载EBG单元反射相位φG=0°， 代入式(1)中可以得到天线剖面高度H=12.6 mm(约为λ/4). 天线整体的剖面高度减小了一半. 辐射源天线采用结构简单的矩形微带贴片， 由50 Ω同轴线进行馈电. 覆盖层及接地板阵列规模均为10×10， 口径尺寸为120 mm×120 mm. 天线整体结构如图 3 所示.

(a) 侧视图

(b) 3-D透视图图 3 天线整体结构示意图Fig.3 The structure of the proposed antenna

3 仿真结果分析

3.1 参数w1分析

如图 4 所示， 随着w1的增大， 谐振点逐渐由高频向低频移动， -10 dB带宽大概一致， 当w1<2.42 mm时， 天线的增益均小于17 dBi， 当w1>2.42 mm时， 天线的旁瓣均大于-13 dB， 因此，w1最终确定为2.42 mm.

图 4 不同w1对S11和增益的影响Fig.4 The effects of different w1 on S11 and gain

3.2 参数H分析

根据式(1)可知， 当φR，φG一定时， 天线剖面值的变化会引起工作波长的变化， 从而改变谐振频率. 由图 5 可知， 随着天线剖面值H的增大， 天线的谐振频率逐渐从高频向低频移动， 谐振深度未有明显变化， 同时， 当H<12.6 mm时， 天线的增益均未达到17 dBi， 当H>12.6 mm时， 天线的旁瓣变大， 同时剖面更大， 因此， 最终选择H的大小为12.6 mm.

图 5 不同H对S11和增益的影响Fig.5 The effects of different H on S11 and gain

3.3 参数l分析

一般情况下， F-P谐振腔天线的覆盖层单元结构会对天线的旁瓣、 谐振深度产生影响. 由图 6 可知， 随着l的变化， 天线谐振深度会产生明显的变化，l越大， 增益提高， 但频带明显减小.l越小， 谐振深度越深， -10 dB带宽越宽， 但天线的增益明显降低， 降低至17 dBi以下， 综合考虑，l的大小最终选取为7 mm.

图 6 不同l对S11和增益的影响Fig.6 The effects of different l on S11 and gain

3.4 天线仿真结果

图 7 为该天线S参数的仿真结果. 可以看出， 工作频率在5.8 GHz处， 天线的回波损耗为-24 dB， -10 dB阻抗带宽为3.1%(5.78 GHz～5.96 GHz).

图 7 仿真|S11|曲线Fig.7 Simulated of S-parameters.

图 8 分别为天线在工作频率处的E面、H面方向图， 可以看到天线具有良好的定向辐射特性，E面旁瓣达到-19.4 dB，H面旁瓣达到-13.4 dB， 天线的轴向增益达到了17 dBi.

(a) E面

(b) H面图 8 天线的归一化辐射方向图Fig.8 Normalized radiation patterns of the antenna

仿真结果表明， 在保持天线较好的辐射性能下， 天线的剖面高度从λ/2降低到λ/4， 达到了预期设计目的.

4 结 语

本文设计了一种低剖面均匀覆盖层的F-P谐振腔天线， 通过设计覆盖层结构， 使得覆盖层的反射相位达到180°， 从而形成电场相位均匀分布. 在接地板上加载EBG结构， 利用EBG结构零反射相位来降低天线剖面， 在保持天线的增益和方向性的同时， 将剖面降至λ/4. 仿真分析表明， 在工作频率5.8 GHz下， 天线增益可以达到17 dBi， -10 dB阻抗带宽为180 MHz(相对带宽为 3.1%)， 达到了高定向的性能要求， 印证了接地板上加载分形EBG结构可以实现F-P谐振腔天线剖面高度降低的可行性.