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        一種低輪廓的Fabry—Perot諧振器天線

        2014-10-15 02:15:56顧瑩瑩張欣唐曉明陳曉磊
        中國新通信 2014年18期
        關(guān)鍵詞:天線

        顧瑩瑩 張欣 唐曉明 陳曉磊

        【摘要】 通過在Fabry-Perot諧振器天線的饋源所在的平面上引入高阻抗表面,能有效地降低天線的高度,并且在一定程度上改善了旁瓣和后瓣。

        【關(guān)鍵詞】 天線 Fabry-Perot 低輪廓 高阻抗表面

        一、引言

        Fabry-Perot諧振器天線結(jié)構(gòu)對頻率的變化較為敏感:為了實(shí)現(xiàn)選頻特性,電磁波在諧振器內(nèi)傳播的相位應(yīng)為π的整數(shù)倍,這樣才能保證每次透射過去的波同相疊加,起到加強(qiáng)的效果。當(dāng)電磁波在兩塊反射板上的反射相位均為π時(shí),要求該結(jié)構(gòu)的高度至少為λ/2,這樣就使得整個(gè)天線結(jié)構(gòu)厚度較大,不滿足低輪廓的要求。

        二、高阻抗表面結(jié)構(gòu)

        高阻抗表面結(jié)構(gòu)是EBG結(jié)構(gòu)的一種,是由金屬和介質(zhì)兩種材料組成的結(jié)構(gòu),它通過在背襯接地板的介質(zhì)基片表面印刷二維周期排列的金屬圖案(其中蘑菇型結(jié)構(gòu)[1]還用金屬過孔將每個(gè)金屬周期單元與接地板相連接),來實(shí)現(xiàn)高阻抗表面的性能。

        由于高阻抗表面結(jié)構(gòu)的周期尺寸遠(yuǎn)小于工作波長,適合用集總參數(shù)電路元件組成的等效LC并聯(lián)諧振電路來描述其電磁特性。該結(jié)構(gòu)之所以被稱為“高阻抗表面”,是因?yàn)槠浔砻嬖谝欢l帶內(nèi)對正投射波呈現(xiàn)高阻抗特性,使反射波與入射波的場強(qiáng)同相。鑒于這種反射的同相性質(zhì)可視為等效的人工磁導(dǎo)體 (AMC),若用來代替電導(dǎo)體作為天線的反射板,可使天線實(shí)現(xiàn)低輪廓結(jié)構(gòu)。此外,高阻抗表面對于沿其表面?zhèn)鞑サ碾姶挪ㄒ渤尸F(xiàn)帶隙特性,應(yīng)用于印刷天線時(shí)能有效地抑制表面波在介質(zhì)基片中的傳播,減小天線的后向輻射,提高天線效率和增益值,改善天線的輻射性能。

        共面高阻抗表面結(jié)構(gòu)簡單,不需要金屬過孔。Itoh等人首先提出共面緊湊型-光子帶隙(UC-PBG)高阻抗表面結(jié)構(gòu)[2]。該結(jié)構(gòu)也可以看作是頻率選擇表面 (Frequency Selective Surface, FSS) 加上接地板,其中,頻率選擇表面對應(yīng)二維周期排列的金屬貼片,能夠有效地反射或傳輸特定頻率范圍內(nèi)的電磁波,可用作帶阻或帶通濾波器[3]。

        三、采用高阻抗表面的Fabry-Perot諧振器天線

        3.1高阻抗表面及其結(jié)構(gòu)參數(shù)

        本文的參數(shù)設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果是借助CST微波工作室仿真得到的。

        高阻抗表面結(jié)構(gòu)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)所要求的反射相位,而且可以在一定程度上抑制表面波。在文獻(xiàn)[4]中,為了降低天線的輪廓,在與天線共面的介質(zhì)上印刷了周期的方形貼片,形成了一種人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。通過選擇合適的周期尺寸和貼片大小,能使得該表面在天線的工作頻段內(nèi)對電磁波的反射呈現(xiàn)磁導(dǎo)體的性能,可以使天線的整體輪廓降低到原來的一半。

        為了保證天線結(jié)構(gòu)的寬頻帶,此處選用的是方形貼片F(xiàn)SS背襯接地板的高阻抗表面結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)頻帶較寬,對于斜入射角度的敏感性較弱,且結(jié)構(gòu)簡單,易于實(shí)現(xiàn)。其周期單元與反射相位性能如圖1所示。

        由于高阻抗表面結(jié)構(gòu)與饋源輻射器共面,其共用同一塊介質(zhì)板:此處選用介電常數(shù)為3.2、厚度為1.6 mm、面積為62 62 mm2的介質(zhì)板。通過優(yōu)化得到周期單元的尺寸參數(shù):周期大小a=5.5mm,貼片尺寸c=3.3mm,該表面在14GHz時(shí)的反射相位約為45度。由于天線結(jié)構(gòu)的高度與中心頻率14GHz處的反射相位相關(guān),將饋源上方的反射蓋板的反射相位看作180度,則計(jì)算得到的蓋板與輻射饋源的距離應(yīng)為6.7mm。

        (a) 高阻抗表面單元 (b) 反射相位性能

        圖1高阻抗表面單元結(jié)構(gòu)及反射相位性能

        3.2天線結(jié)構(gòu)

        選用寬頻帶的U型縫隙貼片作為饋源,其上方平行放置雙層介質(zhì)蓋板,上層為介質(zhì)EBG板,下層為均勻介質(zhì)板[5],在饋源輻射器的周圍引入周期排列的方形貼片結(jié)構(gòu),如圖2所示:

        (a) 天線整體結(jié)構(gòu) (b) 饋源部分

        圖2 采用高阻抗表面的Fabry-Perot諧振器天線

        3.3仿真結(jié)果

        經(jīng)過優(yōu)化,實(shí)際選取的天線間距為hc=7.6mm(而采用普通導(dǎo)體表面天線時(shí)hc=9.6mm),該天線結(jié)構(gòu)的阻抗頻帶(-10dB回波損耗)為 13.67-14.5 GHz,相對帶寬為5.96%;增益在14GHz達(dá)到最大值17.75dBi,3dB增益頻帶為 13.71-14.54 GHz,相對帶寬為5.93%;其實(shí)用頻帶(阻抗頻帶和增益頻帶的公共部分)為 13.71-14.5 GHz,相對帶寬5.64%;E/H面輻射方向性圖的主瓣半功率寬度為18.8度/19.8度,對電磁波起到了聚焦作用;E面波瓣圖的旁瓣電平-15.5dB,前后比約為24.3dB,性能較好。

        這種采用高阻抗表面的Fabry-Perot諧振器天線比采用普通導(dǎo)體表面天線進(jìn)一步減小了結(jié)構(gòu)高度,實(shí)現(xiàn)了低輪廓,且改善了旁瓣與后瓣電平。

        四、結(jié)語

        本文提出了一種采用了高阻抗表面的Fabry-Perot諧振器天線,通過在U型縫隙矩形貼片周邊設(shè)置周期排布的方形貼片,形成了一種人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu),能夠有效地降低天線的高度。

        參 考 文 獻(xiàn)

        [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,“電磁帶隙結(jié)構(gòu)在寬頻帶高增益印刷天線中的應(yīng)用”,東南大學(xué)碩士論文,2005。

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