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諧振器天線結構對頻率的變化較為敏感:為了實現(xiàn)選頻特性,電磁波在諧振器內傳播的相位應為π的整數(shù)倍,這樣才能保證每次透射過去的波同相疊加,起到加強的效果。當電磁波在兩塊反射板上的反射相位均為π時,要求該結構的高度至少為λ/2,這樣就使得整個天線結構厚度較大,不滿足低輪廓的要求。
二、高阻抗表面結構
高阻抗表面結構是EBG結構的一種,是由金屬和介質兩種材料組成的結構,它通過在背襯接地板的介質基片表面印刷二維周期排列的金屬圖案(其中蘑菇型結構[1]還用金屬過孔將每個金屬周期單元與接地板相連接),來實現(xiàn)高阻抗表面的性能。
由于高阻抗表面結構的周期尺寸遠小于工作波長,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。該結構之所以被稱為“高阻抗表面”,是因為其表面在一定頻帶內對正投射波呈現(xiàn)高阻抗特性,使反射波與入射波的場強同相。鑒于這種反射的同相性質可視為等效的人工磁導體 (AMC),若用來代替電導體作為天線的反射板,可使天線實現(xiàn)低輪廓結構。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,應用于印刷天線時能有效地抑制表面波在介質基片中的傳播,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。
共面高阻抗表面結構簡單,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)高阻抗表面結構[2]。該結構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高阻抗表面及其結構參數(shù)
本文的參數(shù)設計和仿真結果是借助CST微波工作室仿真得到的。
高阻抗表面結構不僅能夠實現(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[4]中,為了降低天線的輪廓,在與天線共面的介質上印刷了周期的方形貼片,形成了一種人工磁導體結構。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對電磁波的反射呈現(xiàn)磁導體的性能,可以使天線的整體輪廓降低到原來的一半。
為了保證天線結構的寬頻帶,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構,這種結構頻帶較寬,對于斜入射角度的敏感性較弱,且結構簡單,易于實現(xiàn)。其周期單元與反射相位性能如圖1所示。
由于高阻抗表面結構與饋源輻射器共面,其共用同一塊介質板: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時的反射相位約為45度。由于天線結構的高度與中心頻率14GHz處的反射相位相關,將饋源上方的反射蓋板的反射相位看作180度,則計算得到的蓋板與輻射饋源的距離應為6.7mm。
(a) 高阻抗表面單元 (b) 反射相位性能
圖1高阻抗表面單元結構及反射相位性能
3.2天線結構
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蓋板,上層為介質EBG板,下層為均勻介質板[5],在饋源輻射器的周圍引入周期排列的方形貼片結構,如圖2所示:
(a) 天線整體結構 (b) 饋源部分
圖2 采用高阻抗表面的Fabry-Perot諧振器天線
3.3仿真結果
經(jīng)過優(yōu)化,實際選取的天線間距為hc=7.6mm(而采用普通導體表面天線時hc=9.6mm),該天線結構的阻抗頻帶(-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體表面天線進一步減小了結構高度,實現(xiàn)了低輪廓,且改善了旁瓣與后瓣電平。
四、結語
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置周期排布的方形貼片,形成了一種人工磁導體結構,能夠有效地降低天線的高度。
參 考 文 獻
[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,“電磁帶隙結構在寬頻帶高增益印刷天線中的應用”,東南大學碩士論文,2005。