基于FSS的寬帶高增益微帶天線

曹衛平，李 蒙，王 坤，唐 茜

(桂林電子科技大學 信息與通信學院，廣西 桂林 541004)

基于FSS的寬帶高增益微帶天線

曹衛平，李 蒙，王 坤，唐 茜

(桂林電子科技大學 信息與通信學院，廣西 桂林 541004)

針對傳統法布里-珀羅(Fabry-Perot，FP)諧振天線增益帶寬窄的問題，提出了一種在寬帶范圍內滿足諧振條件的新型頻率選擇表面 (Frequency Selective Surface，FSS)覆層結構。基于覆層反射相位斜率為正原理，設計了具有良好特性的雙層FSS結構，并集成到單層介質板，將其作為微帶天線的覆層，制備了一種新型寬帶高增益微帶天線。仿真和實測結果均表明，與微帶天線相比，加載FSS覆層結構后的天線增益能在更寬頻帶內得到提高，并能明顯降低天線剖面。

頻率選擇表面；微帶天線；高增益

0 引言

傳統高增益天線主要有反射面天線[1]、波導喇叭天線和大型陣列天線等，與這些傳統高增益天線相比，FP諧振腔天線[2]的體積明顯較小，結構簡單，加工、維護的難度和成本遠低于這些天線；此外，饋電可采用單饋[3]形式，并不需要像陣列天線那樣復雜的功分饋電網絡，使其輻射效率大大提升。

然而，傳統的FP諧振腔[4]高增益天線因其本身的窄帶特性而導致其增益帶寬較窄，極大地限制了此類天線的實際應用，如何實現寬帶高增益[5]的FP諧振腔天線，已成為此類天線迫切需要解決的問題之一。

針對這一問題，通過在微帶天線上方加載反射相位斜率為正的超材料[6]覆層，來實現銳化波束，獲得寬帶高增益天線的目的。而與其他類型超材料相比，FSS[7]的結構簡單并且雙層FSS能更好地集成到單層介質板上。因此選擇FSS作為微帶天線[8]的覆層，通過合理設計結構及尺寸來達到提高微帶天線增益、拓展其增益帶寬并降低天線整體剖面的目的。

1 理論分析及結構設計

1.1 寬頻帶FSS覆層理論分析

為了實現寬帶超材料覆層[9]高增益天線，必須使超材料覆層的反射相位在寬頻帶范圍內滿足諧振條件[10]。法布里諧振條件、增益G及帶寬BW公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中，h為法布里諧振高度；φ為反射系數的相位；ρ為反射系數的幅值。從式(2)和式(3)可以看出，覆層的反射系數幅值ρ影響著天線增益和帶寬，同時法布里諧振高度h作為工作頻率和覆層反射系數的函數，也影響著天線帶寬。根據上述3個表達式可知，可通過優化覆層的反射系數幅值和相位來提高天線增益及帶寬。因此為了在寬頻帶范圍內獲得高增益，覆層的反射系數相位必須滿足式(4)[11]：

(4)

當覆層的反射系數相位隨頻率呈線性增加時，在此頻段范圍內天線可獲得高增益。因此為了獲得寬帶超材料覆層高增益天線，就必須合理設計超材料覆層結構及其尺寸大小，使得該結構的反射系數幅值足夠大，并使覆層在更寬的頻帶范圍內滿足反射相位斜率為正的條件。從式(4)可以看出，當反射系數相位確定時可通過調整諧振高度使其落在所需的頻段內。

1.2 寬頻帶FSS結構設計

利用FSS特性在所需頻帶范圍內設計一個反射系數相位隨頻率呈線性增加的新型FSS結構，同時為了減小天線整體剖面將其周期單元組成的陣列印制在單層介質板兩側。

FSS的周期結構單元示意圖如圖1所示，圖1(a)結構印制在單層介質板的正面，圖1(b)結構印制在單層介質板的背面。

圖1 FSS結構單元

FSS結構單元是由介電常數為3.48+i0.0037、厚度為d=1.52 mm的Rogers 4003C板材制成。單元周期FSS覆層介質板的長度和寬度為p=14.6 mm，圖1中各變量為d1=3 mm，d2=12.3 mm，e=12.4 mm，C_l=6.6 mm，C_w=4 mm。利用HFSS三維電磁仿真軟件對覆層單元進行仿真分析，可得到反射系數的幅值和相位曲線圖如圖2所示。

圖2 FSS單元的反射系數

從圖2(a)可以看出，頻帶范圍在5.2～6.6 GHz時，反射系數幅值大于0.6，其中5.9 GHz處獲得最小值，該結構具有弱諧振特性。從圖2(b)可以看出，頻帶范圍在5.4～6.4 GHz時，FSS單元的反射系數相位斜率為正，滿足式(4)。

根據天線的定向性公式[12]可得：

(5)

如果將FSS單元組成陣列加載到輻射源上，可知FSS的反射系數幅值越大，天線的定向性越高。

1.3 微帶天線設計

輻射源[13]作為FP諧振天線中的重要組成部分之一，對天線性能起到重要作用。為了使天線在更寬的工作頻帶內擁有高增益，則增益帶寬和阻抗帶寬的頻帶范圍必須相同或相近。因此，采用縫隙耦合貼片天線[14]作為輻射源，該天線具有低剖面、寬帶寬特性。將FSS單元作為超材料覆層加載到縫隙耦合貼片天線上方，通過合理調節FSS單元尺寸以及超材料覆層與輻射源之間的諧振距離，從而使得新型FP諧振天線具有高增益、寬頻帶特性。

輻射源結構如圖3所示，它采用2塊RogersRT/duroid 5880(εr=2.2，tanσ=0.000 9)的基板制成，厚度為0.787 mm。電磁波通過地板上的縫隙耦合到輻射貼片上，地板與輻射貼片之間的介質層用空氣來代替從而抑制表面波的產生，提高輻射源性能，通過采用簡單的匹配網絡使得輻射源具有寬阻抗帶寬特性。

圖3 縫隙耦合貼片天線

縫隙耦合貼片天線的結構參數如下：Wp=16 mm、w1=1.8 mm、w2=2.48 mm、Ls=14.9 mm、Ws=1 mm、L1=15 mm、Lstub=5.2mm、h-air=4.4 mm、h1=0.787 mm、h2=0.787 mm。

2 FSS覆層提高增益的效果驗證

利用所設計的FSS單元組成7×7的陣列結構，將其作為覆層加載到距離縫隙耦合貼片天線29 mm處，覆層實物圖如圖4所示。

圖4 覆層實物

利用Aglient N5230A矢量網絡分析儀對天線實物的反射系數進行測試，新型FP諧振天線的模擬和實測對比圖如圖5所示。仿真得到的反射系數小于-10 dB的頻帶范圍為5.24～6.98 GHz，相對帶寬為28.6%。而實測得到的頻帶范圍為5.31～6.77 GHz，可看出實測的絕對帶寬比模擬結果略窄。總體來說，實測頻帶范圍基本符合仿真結果，與未加載覆層的輻射源相比，新型FP諧振天線的阻抗帶寬提高了4.1%。從而驗證了分析結果的準確性。

圖5 反射系數

新型FP諧振天線與輻射源的增益曲線圖如圖6所示。由圖6可知，仿真得出的新型FP諧振天線的增益曲線基本接近并且與輻射源的增益曲線相比得到明顯提高。頻帶范圍在5.2～6.5 GHz時，增益大于12.9 dBi，即在22.2%的相對帶寬內增益變化小于3 dB。

圖6 新型FP諧振天線與輻射源的增益曲線

結合圖5和圖6可以看出，天線實際滿足高增益特性的工作頻帶范圍為5.24～6.5 GHz，即相對帶寬為21.5%。

采用NSI-700S-60近遠場天線測量系統對所設計的天線進行遠場測試。加載FSS覆層后5.6 GHz輻射方向圖與未加載覆層方向圖的對比如圖7所示。在工作頻點5.6 GHz處，加載FSS覆層后所對應的最大增益為15.9 dBi，和預期一致，與輻射源相比加載FSS覆層后天線增益得到明顯提高，這也驗證了分析結果的正確性。

雖然實測與仿真結果基本吻合，但也存在略微差異，其主要原因有：① 固定覆層結構的支撐住是手工制作，誤差較大；② 測試環境及天線設備架設問題。

圖7 加載和未加載覆層的實測模擬對比

3 結束語

基于覆層單元反射相位斜率為正原理，提出了一種在寬帶范圍內滿足諧振條件的新型FSS覆層單元結構，以解決傳統法FP諧振天線增益帶寬窄的問題。將具有良好特性的雙層FSS覆層單元結構集成到單層介質板上，并置于微帶天線輻射方向上，作為微帶天線的覆層，實現微帶天線的高增益并拓展天線的增益帶寬，且能明顯降低天線剖面。仿真和實測結果均表明，與微帶天線相比，加載FSS覆層結構能使天線增益在更寬頻帶內得到提高且其增益穩定性更好。

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曹衛平 男，(1971—)，博士，教授，碩士生導師。主要研究方向：射頻電路與天線。

李 蒙 女，(1987—)，碩士研究生。主要研究方向：天線設計。

Wideband High-gain Microstrip Antenna Based on Frequency Selective Surface

CAO Wei-ping,LI Meng,WANG Kun,TANG Qian

(SchoolofInformationandCommunication,GuilinUniversityofElectronicScienceandTechnology,GuilinGuangxi541004,China)

A new type of FSS superstrate structure meeting the conditions of resonant frequency in broadband range is proposed to solve the problem of narrow gain bandwidth in traditional Fabry-Perot (FP) resonant antenna.A novel microstrip antenna is fabricated by using the double-layer FSS as the superstrate,and the double-layer FSS is integrated into a single medium plate.The gain and gain bandwidth enhancement of the antenna is attributed to the positive reflection phase gradient of the overlying strata element.The measured and simulation results show that as compared with the traditional structure,the gain after loading FSS structure is increased in a wider bandwidth and the antenna profile is obviously reduced.

frequency selective surface(FSS);microstrip antenna;high-gain

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.11.15

曹衛平,李 蒙,王 坤,等.基于FSS的寬帶高增益微帶天線[J].無線電工程,2016,46(11):59-62.

2016-07-28

國家自然科學基金資助項目(61361005，61001020，61461016)。

TN82

A

1003-3106(2016)11-0059-04