李琮琮

(民航安徽空管分局,合肥 231271)

一種Ku波段多頻高增益天線研究*

李琮琮*

(民航安徽空管分局,合肥 231271)

針對(duì)傳統(tǒng)平板天線頻帶單一,增益不高,方向性差等缺點(diǎn),將電磁波的增強(qiáng)透射特性研究應(yīng)用到天線的設(shè)計(jì)中,結(jié)合類F-P腔原理,設(shè)計(jì)了一款具有雙頻帶、高增益的波導(dǎo)縫隙天線。天線在中心頻率10.9 GHz和13.7 GHz的增益分別達(dá)到了10.8 dB和11.4 dB,并且相對(duì)于傳統(tǒng)單縫波導(dǎo)天線,天線在中心頻率點(diǎn)處E面的半波功率波束寬度分別減小了114°和90°。仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果吻合度較高,尤其頻帶處于在Ku波段,在衛(wèi)星雷達(dá)領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

天線;透射增強(qiáng);類F-P腔;雙頻;高增益

近年來,金屬周期性亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的透射增強(qiáng)現(xiàn)象研究已經(jīng)得到了愈來愈多的學(xué)者們的關(guān)注[1-3]。眾所周知,金屬對(duì)電磁波具有屏蔽作用,但是Ebbesen等人研究發(fā)現(xiàn)光束通過亞波長(zhǎng)金屬小孔時(shí),會(huì)產(chǎn)生透射增強(qiáng)現(xiàn)象,而且此現(xiàn)象在微波波段同樣產(chǎn)生了類似的特性。Beruete M等人[4-8]將這種特性應(yīng)用在天線的設(shè)計(jì)中,天線的輻射性能得到了極大的提升。與此同時(shí),F-P腔諧振原理在多年前已經(jīng)被證實(shí),Boutayeb H K等人結(jié)合了F-P腔結(jié)構(gòu)[9],設(shè)計(jì)了一款高性能平板天線,驗(yàn)證了它在微波器件領(lǐng)域中的應(yīng)用價(jià)值。另外,氣象雷達(dá)由于需要適應(yīng)惡劣環(huán)境的、長(zhǎng)時(shí)間保持高效率工作等原因,對(duì)雷達(dá)天線的要求很高。波導(dǎo)天線因其穩(wěn)定的性能、緊湊的結(jié)構(gòu)以及便于安裝等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)通信中,多頻段和高效率特性的新型天線能更加良好地匹配各種通訊系統(tǒng),尤其是在氣象雷達(dá)等領(lǐng)域,一款高效率的Ku波段天線的作用更是顯得意義重大。本文在透射增強(qiáng)的理論基礎(chǔ)上,結(jié)合了類F-P腔諧振原理,采用波導(dǎo)同軸饋電,設(shè)計(jì)了一款具有雙頻帶,高增益,窄波束的波導(dǎo)縫隙天線。通過在金屬板內(nèi)部天添加諧振腔結(jié)構(gòu),形成LC諧振回路,天線的實(shí)現(xiàn)了更好的阻抗匹配,金屬板上的褶皺結(jié)構(gòu)以及外圍的反射覆蓋層結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改善了天線的輻射特性。該天線具有質(zhì)量輕,成本低,高效率等特點(diǎn),具有很高的實(shí)用價(jià)值。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示,從圖1可以看到天線主體結(jié)構(gòu)是由兩塊金屬板和一個(gè)覆蓋板以及一個(gè)泡沫板組成,泡沫板的作用是起支撐固定作用,對(duì)天線性能不產(chǎn)生任何影響。如圖1(a)所示,輻射孔在上層金屬板的中央。在下層金屬板的中央,設(shè)計(jì)了一個(gè)腔體結(jié)構(gòu),如圖1(b)所示,金屬板兩邊褶皺結(jié)構(gòu)的寬度和高度是在HFSS中優(yōu)化。

圖1 天線的結(jié)構(gòu)圖

由于諧振腔的存在,傳統(tǒng)設(shè)計(jì)褶皺結(jié)構(gòu)的計(jì)算公式不再適用本文,對(duì)公式進(jìn)行合理修改后得到一個(gè)近似的參數(shù)式(1),金屬板溝槽的深度和金屬層的厚度可根據(jù)式(1)近似計(jì)算得到:

(1)

式中:λ是自由空間的波長(zhǎng)。但是仿真結(jié)果表明高諧振頻率13.7 GHz處的增益提高的不是很多。為了進(jìn)一步提高天線在頻率13.7 GHz處的前向增益(FPG),結(jié)合F-P腔理論,在天線金屬層上方引入了覆蓋層結(jié)構(gòu),覆蓋層的相對(duì)介電常數(shù)εr=9.8,δ=0.001,在實(shí)際制作過程中需要在覆蓋層和金屬層之間放置泡沫板來固定支撐,覆蓋層與金屬面的距離為h,這樣就形成了一個(gè)類似F-P諧振腔,如圖2所示。

(2)

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

(3)

圖2 F-P腔原理圖

根據(jù)F-P諧振腔理論,覆蓋層和天線金屬部分的條件應(yīng)該滿足式(2)中的關(guān)系,這個(gè)時(shí)候式(3)中的能量密度G才能達(dá)到最大,天線的增益也可以有效地提高。φ1和φ2是覆蓋層和地板的反射相位,在天線設(shè)計(jì)中,金屬面相當(dāng)于地板作用。通過仿真,覆蓋層在頻率13.7 GHz處反射相位φ1=180°,再根據(jù)式(2),可以計(jì)算得到h=λ/2。基于以上理論,天線所有的參數(shù)在全波電磁分析軟件HFSS 13.0中完成了優(yōu)化,表1中提供了部分參數(shù)的最終優(yōu)化結(jié)果。

表1 天線各尺寸參數(shù) 單位:mm

圖3 天線的實(shí)物圖

2 參數(shù)優(yōu)化及結(jié)果分析

天線的實(shí)物圖,如圖3所示。通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent8722ET(50MHz～40GHz)測(cè)量分析了天線在10GHz～15GHz頻率范圍內(nèi)的回波損耗,結(jié)果如圖4所示。

圖4 天線的回波損耗

天線的兩個(gè)諧振頻率點(diǎn)分別為10.9GHz和13.7GHz,仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果吻合度較高,由于加工的誤差以及采用的是波導(dǎo)同軸饋電的原因,實(shí)測(cè)的時(shí)候會(huì)有部分能量損失,從而導(dǎo)致回波損耗曲線中頻率的發(fā)生小的偏移,整體是在可接受的范圍內(nèi),達(dá)到的設(shè)計(jì)的要求。

圖6 天線的E面和H面方向圖

天線通過同軸波導(dǎo)饋電,電磁波從下層金屬板的底部縫隙耦合進(jìn)入金屬諧振腔,然后通過上層金屬板的輻射縫隙輻射出去。整個(gè)傳輸過程中存在兩種諧振模式,形成兩個(gè)中心諧振頻率,分別為垂直方向和水平方向的諧振,兩種模式是相互獨(dú)立的。垂直方向的諧振主要是由天線金屬部分的高度決定,引入了諧振腔結(jié)構(gòu)后,與傳統(tǒng)平板天線相比較,通過調(diào)節(jié)金屬板中諧振腔的高度,不僅可以實(shí)現(xiàn)更好的阻抗匹配,金屬的高度減少近一半,從圖5(a)可以看出,它對(duì)高諧振頻率點(diǎn)的大小有著顯著的影響,當(dāng)諧振腔的高度e=5.0mm時(shí),天線的性能處于比較好的狀態(tài)。另外,對(duì)于水平方向的諧振,由圖5(b)可以看出,上層小金屬板的輻射縫隙的長(zhǎng)度對(duì)于低諧振頻率的影響比較顯著,當(dāng)b=14.5mm的時(shí)候,天線的性能處于最佳的狀態(tài)。

圖5 參數(shù)對(duì)天線中心頻率的影響

天線在中心頻率10.9GHz和13.7GHz處的E面和H面歸一化方向圖如圖6所示。從圖6可以看到,相比較于傳統(tǒng)平板天線,天線的增益和方向性有了很大的提升。圖6(a)和圖6(b)中,可以很清楚地看到天線的增益在10.9GHz處提高了有5.4dB,E面的HPBW減少了114°左右。根據(jù)透射增強(qiáng)特性原理,可以理解為在沒有引入覆蓋反射結(jié)構(gòu)時(shí),天線的增益的提高是由于金屬板兩側(cè)的對(duì)稱褶皺結(jié)構(gòu)的作用,當(dāng)電磁波從輻射縫隙單元輻射出來的時(shí)候,電磁波沿著金屬表面有著橫向的傳播,傳播到溝槽部分時(shí),發(fā)生了諧振,形成二次輻射元,并且與主源在遠(yuǎn)場(chǎng)處形成類似相干疊加的效應(yīng),從而大大提高了天線的輻射特性。另外,引入反射覆蓋層結(jié)構(gòu)對(duì)該振頻率10.9GHz的增益沒有直接影響,但是該諧振頻率處E面和H面的波束寬度得到了進(jìn)一步的優(yōu)化,天線的方向性得到提高。

圖6(c)和圖6(d)中天線在頻率13.7GHz處的增益調(diào)高了近4.8dB,E面的HPBW減少了90°,H面的波束寬度也得到了一定優(yōu)化。反射覆蓋層結(jié)構(gòu)對(duì)該頻率處的輻射方向性影響特別大,可以解釋為金屬和反射板之間形成了類似于F-P腔的結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)過程中,式(2)中的f是13.7GHz,根據(jù)F-P腔原理,該結(jié)構(gòu)在頻率13.7GHz產(chǎn)生了諧振,此時(shí)對(duì)該頻率處的輻射特性提升會(huì)非常顯著,實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了這個(gè)結(jié)論。

3 結(jié)束語

通過引入金屬褶皺結(jié)構(gòu)和反射板結(jié)構(gòu)以及諧振腔結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了一款具有雙頻帶、高增益以及窄波束特性的波導(dǎo)縫隙天線,內(nèi)嵌諧振腔結(jié)構(gòu)的存在,天線實(shí)現(xiàn)了更好地阻抗匹配,同時(shí)電磁波在諧振腔和輻射縫隙單元傳輸中的橫向和縱向諧振產(chǎn)生了雙頻特性。仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果吻合度較高,證明了此天線的良好輻射特性,在雷達(dá)等通訊系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。

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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

項(xiàng)目來源:民航專項(xiàng)資金項(xiàng)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,漢族,安徽合肥人,本科。就職于民航安徽空管分局,氣象雷達(dá)工程師,研究方向?yàn)楹娇諝庀蠹夹g(shù)裝備,394406304@qq.com。