X波段加載部分反射表面的寬帶諧振腔天線

劉 影，蘇 坪，郭培培，李明亮，劉永杰

(上海無(wú)線電設(shè)備研究所，上海 201109)

0 引言

隨著無(wú)線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)于寬帶高增益天線的需求越來(lái)越迫切，尤其是在頻率較高的微波、毫米波頻段[1]。傳統(tǒng)的天線高增益性能可以通過(guò)加載反射器[2]、波導(dǎo)喇叭[3]以及微帶天線陣列[4]等方式實(shí)現(xiàn)，但存在成本高、設(shè)計(jì)復(fù)雜等問(wèn)題。諧振腔天線(Resonant Cavity Antenna，RCA)[5]作為一種定向天線，因其結(jié)構(gòu)及饋電機(jī)理簡(jiǎn)單、成本低等諸多優(yōu)勢(shì)，引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注。

在最近幾十年里，電磁帶隙 (Electromagnetic Band Gap，EBG)結(jié)構(gòu)在抑制電磁波傳播方面的應(yīng)用引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注，其中一個(gè)重要的應(yīng)用是高增益的法布里-珀羅諧振腔天線，也就是EBG諧振腔天線[6]。傳統(tǒng)的EBG諧振腔天線，用EBG結(jié)構(gòu)作為部分反射表面(Partially Reflective Surface，PRS)。PRS放置于距接地平面一定距離的上方，與接地平面之間形成空氣腔，通過(guò)單個(gè)天線或天線陣列饋電，天線的主要性能由PRS的電磁屬性決定。這種EBG諧振腔天線是一種典型的窄帶諧振腔天線[7]。提高諧振腔天線增益帶寬的方法一般有三種:一是采用陣列天線替代單個(gè)天線進(jìn)行饋電[8]，然而復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)給天線設(shè)計(jì)帶來(lái)了難度；二是通過(guò)使用高阻抗表面和單層的頻率選擇表面分別作為接地平面和部分反射表面，來(lái)提高諧振腔天線的帶寬[9]；三是使用具有正反射系數(shù)相位梯度的部分反射表面作為覆蓋層，在寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高的增益[10]。上述三種方法中，最后一種方法對(duì)寬帶諧振腔天線的實(shí)現(xiàn)最為有效，并且最簡(jiǎn)單、最容易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)天線剖面高度也是最小的。

針對(duì)傳統(tǒng)EBG諧振腔天線的窄帶缺點(diǎn)，基于上述第三種方法，設(shè)計(jì)了一種新型的寬帶諧振腔天線。相比文獻(xiàn)[10]中所提出的PRS，本文所設(shè)計(jì)的PRS具有更加緊湊的結(jié)構(gòu)特征，并能夠提供相對(duì)更高的增益性能。通過(guò)緊湊型PRS與寬帶孔徑耦合貼片天線(饋源天線)的結(jié)合，能夠有效提高寬帶諧振腔天線的增益。

1 諧振腔天線理論

諧振腔天線由饋源天線、接地平面和放置在接地平面上方的部分反射表面組成。部分反射表面與接地平面之間形成一個(gè)諧振腔，從饋電單元輻射的電磁波在諧振腔中不斷傳輸和反射，當(dāng)滿足一定的諧振條件時(shí)，透射出介質(zhì)層的電磁波可以實(shí)現(xiàn)同向疊加，因此提高了天線的增益。

諧振腔天線的工作頻率、方向性、增益帶寬等特性主要由PRS的電磁屬性決定。其中工作頻率計(jì)算公式為[10]

式中:c為光速；h為諧振腔高度，即PRS與接地平面之間的距離；φH和φL分別為PRS和接地平面的反射系數(shù)相位。

當(dāng)接地平面為理想電導(dǎo)體(Perfect Electric Conductor，PEC)時(shí)，φL=π，式(1)可改寫(xiě)為

由式(2)可知，當(dāng)f與φH成正比時(shí)，可以保證諧振腔高度h保持不變。PRS能夠?qū)崿F(xiàn)在寬頻帶內(nèi)頻率f與反射系數(shù)相位φH成正比。利用這一特點(diǎn)，RCA可以在一個(gè)較寬的頻率范圍內(nèi)滿足諧振條件[11]。

諧振腔天線的方向性系數(shù)D由饋源天線和PRS的方向性系數(shù)決定，計(jì)算公式為

式中:DFeed為饋源天線的方向性系數(shù)；DPRS為PRS的方向性系數(shù)；ρ為PRS的反射系數(shù)幅度。由式(4)可知，PRS的反射系數(shù)幅度ρ越大，DPRS越大，則D就越大。

RCA的口徑尺寸估算公式為[12]

式中:λ為RCA的工作波長(zhǎng)。

2 寬帶諧振腔天線設(shè)計(jì)

2.1 部分反射表面設(shè)計(jì)

對(duì)于諧振腔天線而言，PRS的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本文所設(shè)計(jì)的PRS具有互補(bǔ)緊湊的結(jié)構(gòu)特征，并且具有正反射系數(shù)相位梯度，能夠在寬頻段內(nèi)給饋源天線提供較高的增益。

選用Rogers RT/duriod 5880作為PRS的介質(zhì)基板，PRS由雙面敷銅周期陣列結(jié)構(gòu)的介質(zhì)基板組成，介質(zhì)板厚度d=0.781 mm，如圖1所示。PRS上表面由方形環(huán)狀金屬內(nèi)嵌方形金屬貼片結(jié)構(gòu)組成；下表面由方形環(huán)狀金屬和去方形孔狀金屬貼片結(jié)構(gòu)組成。

圖1 PRS陣列結(jié)構(gòu)示意圖

PRS的單元結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，l1=2 mm，l2=4.7 mm，l3=1.5 mm，l4=3 mm，l5=4 mm，l6=1 mm，P=5 mm。

圖2 PRS單元結(jié)構(gòu)示意圖

利用HFSS電磁仿真軟件，結(jié)合主從邊界條件，對(duì)單元進(jìn)行仿真，得到的PRS的反射系數(shù)相位與幅度隨頻率變化曲線如圖3所示。在(9～11)GHz頻段范圍內(nèi)，PRS的反射系數(shù)具有正梯度相位，并且反射系數(shù)幅度大于0.59。設(shè)計(jì)的PRS能夠在(9～11)GHz頻段范圍內(nèi)提供較高的增益。

圖3 PRS反射系數(shù)仿真結(jié)果

2.2 饋源天線設(shè)計(jì)

對(duì)于一個(gè)高增益的寬帶諧振腔天線而言，饋源天線的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，必須具有較寬的工作帶寬和較高的增益。為了滿足寬帶諧振腔天線的基本要求，采用寬帶口徑耦合貼片天線作為饋源天線，如圖4所示。其具體結(jié)構(gòu)參數(shù):l0=65 mm，l1=12.8 mm，l2=10 mm，h1=2.7 mm，d0=0.781 mm，d1=0.381 mm，b0=0.7 mm，l7=13.5，b1=0.7 mm，l8=12.1 mm，b2=0.6 mm，l9=2.4 mm，b3=1.12 mm，l10=23.6 mm，b4=20 mm，l11=25.6 mm。

圖4 饋源天線

該饋源天線通過(guò)接地平面上的矩形槽，對(duì)上方的金屬貼片進(jìn)行耦合饋電，饋電網(wǎng)絡(luò)采用Y形金屬饋線，有利于阻抗匹配的調(diào)節(jié)，能夠使天線在較寬的頻段內(nèi)獲得較好的阻抗匹配。

設(shè)計(jì)的饋源天線反射系數(shù)S11仿真結(jié)果如圖5所示。S11≤-10 d B的匹配帶寬為(9.16～11.22)GHz，相對(duì)帶寬20.2%。

圖5 饋源天線反射系數(shù)

饋源天線的輻射方向圖仿真結(jié)果如圖6所示。其中φ、θ分別表示天線輻射電場(chǎng)矢量在方位面和俯仰面的角度。饋源天線在9.0，9.5，10.0，10.5，11.0 GHz頻段的功率最大增益分別為8.49，8.85，8.87，8.76，8.33 dBi。可以看出，該饋源天線在較寬的工作頻段內(nèi)具有較高的增益。

圖6 饋源天線輻射方向圖

2.3 諧振腔天線設(shè)計(jì)

寬帶RCA由PRS與饋源天線組成，如圖7所示。PRS和饋源天線的結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖2和圖4。

圖7 寬帶RCA結(jié)構(gòu)

由式(1)可以估算h，其取值在半波長(zhǎng)左右。調(diào)節(jié)h可以改變天線的阻抗匹配帶寬。寬帶RCA的口徑尺寸，可以利用式(2)～式(5)進(jìn)行估算。最終優(yōu)化結(jié)果，h選用15.5 mm，PRS選用13×13單元元胞結(jié)構(gòu)。

寬帶RCA反射系數(shù)仿真結(jié)果如圖8所示。可知該RCA能夠在X波段實(shí)現(xiàn)S11≤-10 dB、匹配帶寬(8.92～11.16)GHz、相對(duì)帶寬22.3%的性能指標(biāo)。

圖8 寬帶RCA反射系數(shù)

寬帶RCA輻射方向圖仿真結(jié)果如圖9所示。RCA 在9.0，9.5，10.0，10.5，11.0 GHz頻段的最大增益分別為12.78，13.33，13.53，14.00，13.89 dBi。與圖6對(duì)比，可以看出，以PRS作為覆蓋層，饋源天線的增益得到顯著提高。

圖9 寬帶RCA輻射方向圖

3 結(jié)論

本文提出了一種新型寬帶RCA，由具有正反射系數(shù)相位梯度的PRS和寬帶口徑耦合貼片天線(饋源天線)組成。其PRS具有緊湊的互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，能夠在寬頻帶內(nèi)提供較高的增益。仿真結(jié)果表明，該諧振腔天線能夠在X波段實(shí)現(xiàn)22.3%的相對(duì)帶寬，及(12.78～14.00)d Bi增益的性能指標(biāo)。