基于人工磁导体表面的低剖面Fabry-Perot谐振腔天线设计

赵晓磊，刘宇峰，陈新伟，张文梅

(山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006)

0 引 言

Fabry-Perot谐振腔天线不同于传统的高增益天线，它不仅具有高定向性的性能，而且不需要复杂的功分馈电网络，结构简单，因此成为近年来国内外的研究热点之一.然而，传统的Fabry-Perot谐振腔天线纵向剖面较高，部分反射层与接地板之间间距通常为λ/2.当天线工作频率较低时，会使得腔体纵向剖面过高、整体体积过大，从而限制其应用范围.所以，如何在保证Fabry-Perot谐振腔天线高增益辐射特性前提下，有效降低谐振腔体的剖面高度，减小天线体积，成为Fabry-Perot 谐振腔天线研究的一个重要课题.

超材料是一种自然界不存在的人工复合材料，以某些特定顺序排列的亚波长单元结构组成.超表面则是亚波长单元结构以周期性排列构成的二维超薄平面，可以看作是一种二维平面型超材料[1].如频率选择表面(Frequency Selective Surfaces, FSS)、电磁带隙结构(Electromagnetic Band-Gap, EBG)、左手材料(Left-Handed Metamaterials, LHM)以及人工磁导体表面等，且超表面已经广泛应用到了微波天线领域[2].人工磁导体表面为超表面的一种，其利用周期性结构改变反射相位，从而实现降低天线剖面的目标.

2005年，A.P.Feresids等[3]选取人工磁导体表面作为天线的接地板，和传统Fabry-Perot谐振腔天线相比，剖面降低了一半；2006年，A.P.Feresids等[4]又在前一年的基础上对基于超表面接地板的单元结构进行调整，天线的剖面降低至λ/6；2010年，Guochun Zhao等[5]通过在接地板上加载人工阻抗表面(Artificial Impedance Surfaces，AIS)，实现了剖面为λ/8的圆极化谐振腔天线.然而，上述天线较本文而言，接地板结构均较为复杂；2015年，Ying Liu等[6]通过加载人工磁导体表面及电磁带隙结构将天线剖面降低至0.19λ，但其腔体结构及馈源结构均较为复杂，且增益较低；2016年，Badreddine Ratni等[7]通过在部分反射层加载人工磁导体表面，改变了部分反射层的反射相位，实现了剖面为λ/6.6的圆极化谐振腔天线，但其阻抗带宽较窄，仅达到 2.3%；2012年，Yong Sun等[8]通过在部分反射层加载人工磁导体表面以及在谐振腔内填充介质，改变部分反射层反射相位，使得天线剖面降低至λ/9，但由于介质的填充，不利于实际制作与应用.

本文设计了一种工作在C波段的基于人工磁导体表面的低剖面Fabry-Perot谐振腔天线.采用在部分反射层加载，使部分反射层的反射相位由180°降低到-25°，在天线实现高增益高定向性的同时，天线的剖面从0.5λ降低至约0.215λ.

1 Fabry-Perot谐振腔天线工作原理

传统的Fabry-Perot谐振腔天线结构通常由部分反射层、接地板及馈源组成.当满足谐振条件时，由馈源辐射出的电磁波在谐振腔之间不断反射与透射，最终在部分反射层的上方实现同相叠加，达到高增益、高定向性的性能.接地板反射幅值等于1，起到全反射的作用.部分反射层的功能是部分反射与选择性透射.从漏波的观点来看，部分反射层的反射系数大，对应Fabry-Perot谐振腔的泄漏因子小，适应于大口径Fabry-Perot谐振腔天线的设计；反之，如果天线口径较小，则应使部分反射层的反射系数变小，以增大Fabry-Perot谐振腔的泄漏因子.因此，为了得到较好的口径效率，应根据天线口径的大小，合理设计部分反射层反射系数的大小[9-12].

根据射线理论可知，当满足谐振条件时，其剖面高度

(1)

式中：φR为部分反射层的反射相位；ψG为接地板的反射相位；λ为天线波长；n为整数，代表谐振模式.由式(1)可以看出，当谐振频率确定时，波长λ固定，天线的剖面值h仅与φR，ψG有关.对于传统的Fabry-Perot谐振腔天线而言，部分反射层与接地板的反射相位均为180°，将其代入式(1)可得谐振腔天线的剖面高度h=λ/2.本文主要采用人工磁导体表面作为部分反射层，改变其反射相位，从而降低了谐振腔体的剖面高度.

根据Floquet定理所示，除主传播模以外的其他传播模会导致天线方向图出现栅瓣，造成主瓣的能量损失，因而，为避免栅瓣的形成，要抑制主模以外的其他模

(2)

式中：d为周期阵列单元之间的距离；θi为球坐标下的入射波方向.由式(2)可知，无论入射角的角度多大都不会出现栅瓣的要求是

(3)

当Fabry-Perot谐振腔处于谐振状态时，对特定的频率入射波是全透射的，因此，Fabry-Perot谐振腔可以看作是窄带带通的空间滤波器.

2 天线结构

2.1 馈源设计

本文设计了工作在7 GHz处通过同轴馈电的矩形微带贴片天线，介质基板选用聚四氟乙烯(εr=2.65).

图1 为馈源的结构及仿真结果，L，W分别为贴片天线的长和宽，Xf代表馈点沿x轴的偏移距离.根据贴片天线原理计算，再通过仿真优化后的具体参数为：L=19.6 mm，W=12 mm，Xf=3.2 mm.仿真结果表明，天线的-10 dB带宽为279 MHz，增益达到7.9 dBi.

(a)结构

2.2 部分反射层设计

本文所采用人工磁导体上、下表面单元如图2(a)、图2(b)所示，单元蚀刻在厚度hs=1.6 mm 的聚四氟乙烯板上，单元周期P0=11.2 mm.上层为带有方环的方形贴片(图2(a))，内部方形贴片的边长l2=3.4 mm，方形内边长l1=7.2 mm；下层为菱形贴片(图2(b))，对角线长W0=10.88 mm.单元之间的距离d远远小于λ/2，起到抑制栅瓣的作用.由于所设计天线口径为2.43λ×2.43λ，故剖面较低，口径较小时，衰减因子增大，反射系数幅值会随之减小，天线辐射效果更好[9-12].随着频率的变化，部分反射层可实现(180°,180°)之间的反射相位.为获得反射相位为-25°且相位曲线相对平缓的单元，对单元结构进行仿真分析并优化后得到图2(c)，该反射幅值足够高，反射相位在7 GHz处达到-25°，如图2(e)所示，满足降低天线剖面、提高增益的条件.同时，反射相位随频率的变化较为平缓，这会使得天线的增益带宽变宽.

图2 部分反射层单元

2.3 低剖面Fabry-Perot谐振腔天线设计

天线整体结构如图3 所示，馈源采用2.1节中基于同轴馈电的矩形微带贴片天线.采用2.2节单元构成8×8阵列作为部分反射层，反射相位为-25°.腔体下层采用传统金属接地板，反射相位为180°.由式(1)计算可得，天线理论剖面可减小至0.215λ.天线的口径尺寸为104 mm×104 mm.

(a)侧视图

3 部分反射层参数分析

天线部分反射层单元尺寸直接影响到其反射特性，进而影响到剖面及天线整体辐射性能.

图2(d)为部分反射层单元结构的等效电路图，根据等效电路图可得出谐振频率的计算公式为

(4)

式中：L3由菱形贴片的W0控制；L1，L2分别由上表面方形贴片及方环控制；C1，C2，C3分别由介质缝隙控制，因而，对部分反射层进行参数分析十分有必要.

3.1 参数l1分析

如图4 所示，随着参数l1的增大，部分反射层反射相位变小，天线的增益最大值向低频移动，且增益带宽较窄，这是由于Fabry-Perot谐振腔天线的部分反射层反射相位是随频率变化的，当频率偏离工作频率时，电磁波在腔体内的反射相位发生变化，从而不再满足谐振腔的工作条件，偏离中心频率的电磁波无法在部分反射层同相叠加，增益随之下降.增益在l1=7.2 mm处达到最大值，旁瓣达到最小值，因此参数l1选取为7.2 mm.

(a)反射相位

3.2 参数W0分析

由图5 可知，部分反射层单元结构的尺寸对于天线的反射特性有较大影响.随着W0逐渐增大，部分反射层反射相位逐渐变小，增益骤降，增益最大值向低频移动，最终参数W0确定为 10.88 mm.

(a)反射相位

4 仿真及实测结果

根据参数分析所确定的天线结构尺寸，加工制作天线样品，如图6 所示.部分反射层与接地板之间通过4颗塑料螺钉作为支撑，以保证谐振腔体高度.

图6 天线实物图

图7 为天线S参数测量及仿真结果.结果表明，天线阻抗带宽(|S11|<-10 dB)达到14%，向高频偏移200 MHz.主要是由于基板介电常数误差及馈源焊接等原因造成的.

图7 S11曲线

实物天线的方向图测量工作在微波暗室中进行，图8 分别为天线在工作频率7 GHz处的E面、H面仿真及实测方向图.

(a)E面

测试结果表明，天线在7 GHz处有较好的定向辐射特性，电磁波在谐振腔中多次反射与透射，在部分反射层的外侧实现同相叠加，从而显著提高天线的增益和定向性，图9 为天线的仿真增益曲线，天线增益在中心频率7 GHz处达到 13.8 dBi，相较于馈源，增益提升了5.9 dBi，-3 dB 增益带宽达到7%(6.75 GHz～7.25 GHz).在部分反射层单元合理的设计下，天线的旁瓣低于-21.3 dB，实现了良好的定向性，天线的仿真辐射效率达到99.7%，仿真与实测结果吻合较好.天线性能与其他已有设计对比在表1 中给出.结果表明，本文所设计的天线在保持高定向性及高增益性能的同时，天线的剖面值从 0.5λ降低到0.215λ，实现了天线的低剖面性能.

图9 天线仿真增益

表1 低剖面谐振腔天线性能比较

5 结 论

本文设计了一款新型低剖面Fabry-Perot谐振腔天线.天线部分反射层由上层为带有方环的方形贴片，下层为菱形贴片组成的8×8均匀阵列，通过参数优化，其反射相位达到-25°.天线的接地板采用传统金属接地板，反射相位为180°，由矩形微带贴片天线进行馈电.该天线仿真剖面达到0.215λ，相较于传统Fabry-Perot谐振腔天线，剖面值降低了0.285λ，天线低剖面的特性得以实现.为便于实物的制作，天线的剖面调整为0.22λ.对该天线进行了实物的制作与测量，测试结果表明，天线阻抗带宽(|S11|<-10 dB)达到14%，增益达到13.8 dBi，-3 dB增益带宽达到7%(6.75 GHz～7.25 GHz).辐射效率达到99.7%，旁瓣低于-21.3 dB，实现了高定向、高增益的性能.天线的实测与仿真结果有较好的一致性.