顧瑩瑩+張欣+婁鶯+陳曉磊

【摘要】 設(shè)計了一種Fabry-Perot諧振器天線，相對于微帶貼片天線而言具有較寬的頻帶和較高的增益。仿真結(jié)果表明，該天線的實用頻帶的相對帶寬達到了7.7%，增益最大值達到了17.83dBi，能對電磁波起到較好的聚焦作用，并且在一定程度上改善了旁瓣和后瓣。

【關(guān)鍵詞】 天線 Fabry-Perot U型縫隙矩形貼片 EBG

一、引言

微帶貼片天線具有印刷電路工藝的全部優(yōu)點，體積小、剖面低、制造成本低、易于結(jié)構(gòu)共形、適合與電路集成，因而得到了廣泛的應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的貼片天線是高Q值的諧振結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了其頻帶較窄，一般在5%以下。此外，由于金屬損耗和介質(zhì)損耗的存在，使得貼片天線的效率較低，功率容量小。

Fabry-Perot諧振器最初應(yīng)用在光學(xué)領(lǐng)域，其可以有選擇地傳播或反射特定波長的電磁波。鑒于Fabry-Perot諧振器結(jié)構(gòu)對電磁波傳播具有選頻的作用，滿足諧振條件的電磁波穿透Fabry-Perot諧振器后能同相疊加而增強。將此Fabry-Perot諧振器結(jié)構(gòu)應(yīng)用在天線系統(tǒng)中，也能明顯提高天線的輻射定向性。

二、Fabry-Perot諧振器結(jié)構(gòu)

在印刷天線上方加上蓋板，構(gòu)成Fabry-Perot諧振器結(jié)構(gòu)，能夠有效增大天線的增益。若選用一層介質(zhì)型蓋板結(jié)構(gòu)，通常蓋板與天線的間距取為λ/2，此時為了滿足諧振條件，介質(zhì)蓋板的厚度應(yīng)為λg/4（反射蓋板的最佳值[1]）。

然而，在實際應(yīng)用中，可選用的介質(zhì)板厚度受限于產(chǎn)品規(guī)格，有時不能完全滿足諧振要求。此外，如果在較低的頻段上設(shè)計反射蓋板，其λg/4的尺寸是不切實際的。因此考慮將單層較厚的介質(zhì)蓋板改換為兩層有空氣間隔而厚度較薄的介質(zhì)蓋板[2]。

三、寬頻帶饋源輻射器

饋源輻射器用于激勵F-P諧振器，它的性能直接影響諧振器天線的特性。為了實現(xiàn)較寬的頻帶特性，需要選擇寬頻帶的饋源輻射器。單層單貼片的寬帶微帶天線結(jié)構(gòu)能夠保證天線的低輪廓，同時當(dāng)用于陣列時不會引入柵瓣。Huynh和Lee[3]報告了U型縫隙微帶矩形貼片的測量結(jié)果，證明了其寬帶特性。此后，Lee等[4]研究了一系列中心頻率在4.5GHz左右的U型縫隙天線，同樣證明了其寬帶性能，并分析了不同參數(shù)對天線性能的影響。該天線結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)寬頻帶或雙頻帶性能，增益大約為7dBi。

此處饋源輻射器選用的是U型縫隙矩形貼片結(jié)構(gòu)（如圖1示）。

U型縫隙矩形貼片是用單層單貼片實現(xiàn)寬頻帶或雙頻性能的典型例子。沿著縫隙邊緣的電流引入了另一個諧振，產(chǎn)生了寬帶或雙頻響應(yīng)；縫隙引入了容性電抗，與探針引入的感性電抗形成了第三個諧振機理；其輻射場是線極化的，E面平行于垂直的縫，H面平行于水平的縫，半功率波瓣寬度比普通的貼片天線窄[5]。

四、Fabry-Perot諧振器天線

4.1天線結(jié)構(gòu)

為了同時實現(xiàn)寬頻帶和高增益的性能，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，如圖2示。其中，兩層蓋板的間距為dc，下層蓋板與天線的間距為hc。

4.2參數(shù)設(shè)計

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

兩層蓋板均選用介電常數(shù)，厚度h=1.27mm的介質(zhì)材料，其中上層介質(zhì)鉆孔的EBG結(jié)構(gòu)中，周期單元呈60°菱形結(jié)構(gòu)排列，周期尺寸，空氣孔半徑r=3.7mm，該結(jié)構(gòu)對14GHz的電磁波具有二維全方向的電磁帶隙[6]，基于此將14GHz定為整個天線結(jié)構(gòu)的中心頻率。

設(shè)計天線時首先初步選取U型縫隙貼片饋源結(jié)構(gòu)的各個參數(shù)值，使饋源的諧振頻率略高于14GHz；根據(jù)天線結(jié)構(gòu)諧振頻率的要求，選定dc=5.4mm，hc=9.6mm；再對U型縫隙貼片饋源結(jié)構(gòu)的各個參數(shù)值進行優(yōu)化，保證天線的高增益和寬頻帶性能。最終選定的參數(shù)如下：Px=9.3mm、Py=4.8mm、ux=5.2mm、uy=3.7mm、Wv=Wh=0.6mm、su=0.5mm、fy=2.4mm。

4.3仿真結(jié)果

采用上述參數(shù)設(shè)計，對天線性能進行了仿真，結(jié)果如下：

阻抗頻帶（-10dB回波損耗）為 （13.49-15.91） GHz，相對帶寬為17.3%；增益在14GHz達到最大值17.83dBi，3dB增益頻帶為 （13.51-14.59） GHz，相對帶寬為7.7%；其實用頻帶（阻抗頻帶和增益頻帶的公共部分）即為 （13.51-14.59） GHz，相對帶寬7.7%；E/H面輻射方向性圖的主瓣半功率寬度為18度/18.5度，對電磁波起到了聚焦作用；E面波瓣圖的旁瓣比主瓣低，為-15.3dB，也就是說旁瓣有所改善；后瓣很小，前后比約為23.4dB。

因此，這種Fabry-Perot諧振器天線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了寬頻帶、高增益的性能；同時改善了旁瓣的大小，降低了天線的高度。

五、結(jié)語

本文提出了一種Fabry-Perot諧振器天線，通過在U型縫隙矩形貼片上方疊加雙層介質(zhì)蓋板，能夠在保證天線小型化的基礎(chǔ)上實現(xiàn)寬頻帶和高增益。

參 考 文 獻

[1] Xiao-Hai Shen， Guy A.E. Vandenbosch， Antoine R and Van de Capelle. “Study of Gain Enhancement Method for Microstrip Antennas Using Moment Method”， IEEE trans. on Ant. & Prop，. vol. 43， no. 3， Mar. 1995， pp. 227-231.

[2]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。

[3] T. Huynh and K.F. Lee， “Single-Layer Single-Patch Wideband Microstrip Antenna，” Electron. Lett.， Vol. 31， No. 16， 1995， pp. 1310-1312.

[4] K.F. Lee， K.M. Luk， Y.L. Yung， K.F. Tong， and T. Huynh， “Experimental Study of the Rectangular Patch with a U-Shaped Slot，” IEEE-APS Inter. Symp. Dig.， 1996， pp. 10-13.

[5] K.F. Lee and W. Chen， “Advances in Microstrip and Printed Antennas，” Wiley-Interscience， 1997.

施曉瓊，“介質(zhì)PBG結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用”，東南大學(xué)碩士論文，2003。

【摘要】 設(shè)計了一種Fabry-Perot諧振器天線，相對于微帶貼片天線而言具有較寬的頻帶和較高的增益。仿真結(jié)果表明，該天線的實用頻帶的相對帶寬達到了7.7%，增益最大值達到了17.83dBi，能對電磁波起到較好的聚焦作用，并且在一定程度上改善了旁瓣和后瓣。

【關(guān)鍵詞】 天線 Fabry-Perot U型縫隙矩形貼片 EBG

一、引言

微帶貼片天線具有印刷電路工藝的全部優(yōu)點，體積小、剖面低、制造成本低、易于結(jié)構(gòu)共形、適合與電路集成，因而得到了廣泛的應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的貼片天線是高Q值的諧振結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了其頻帶較窄，一般在5%以下。此外，由于金屬損耗和介質(zhì)損耗的存在，使得貼片天線的效率較低，功率容量小。

Fabry-Perot諧振器最初應(yīng)用在光學(xué)領(lǐng)域，其可以有選擇地傳播或反射特定波長的電磁波。鑒于Fabry-Perot諧振器結(jié)構(gòu)對電磁波傳播具有選頻的作用，滿足諧振條件的電磁波穿透Fabry-Perot諧振器后能同相疊加而增強。將此Fabry-Perot諧振器結(jié)構(gòu)應(yīng)用在天線系統(tǒng)中，也能明顯提高天線的輻射定向性。

二、Fabry-Perot諧振器結(jié)構(gòu)

在印刷天線上方加上蓋板，構(gòu)成Fabry-Perot諧振器結(jié)構(gòu)，能夠有效增大天線的增益。若選用一層介質(zhì)型蓋板結(jié)構(gòu)，通常蓋板與天線的間距取為λ/2，此時為了滿足諧振條件，介質(zhì)蓋板的厚度應(yīng)為λg/4（反射蓋板的最佳值[1]）。

然而，在實際應(yīng)用中，可選用的介質(zhì)板厚度受限于產(chǎn)品規(guī)格，有時不能完全滿足諧振要求。此外，如果在較低的頻段上設(shè)計反射蓋板，其λg/4的尺寸是不切實際的。因此考慮將單層較厚的介質(zhì)蓋板改換為兩層有空氣間隔而厚度較薄的介質(zhì)蓋板[2]。

三、寬頻帶饋源輻射器

饋源輻射器用于激勵F-P諧振器，它的性能直接影響諧振器天線的特性。為了實現(xiàn)較寬的頻帶特性，需要選擇寬頻帶的饋源輻射器。單層單貼片的寬帶微帶天線結(jié)構(gòu)能夠保證天線的低輪廓，同時當(dāng)用于陣列時不會引入柵瓣。Huynh和Lee[3]報告了U型縫隙微帶矩形貼片的測量結(jié)果，證明了其寬帶特性。此后，Lee等[4]研究了一系列中心頻率在4.5GHz左右的U型縫隙天線，同樣證明了其寬帶性能，并分析了不同參數(shù)對天線性能的影響。該天線結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)寬頻帶或雙頻帶性能，增益大約為7dBi。

此處饋源輻射器選用的是U型縫隙矩形貼片結(jié)構(gòu)（如圖1示）。

U型縫隙矩形貼片是用單層單貼片實現(xiàn)寬頻帶或雙頻性能的典型例子。沿著縫隙邊緣的電流引入了另一個諧振，產(chǎn)生了寬帶或雙頻響應(yīng)；縫隙引入了容性電抗，與探針引入的感性電抗形成了第三個諧振機理；其輻射場是線極化的，E面平行于垂直的縫，H面平行于水平的縫，半功率波瓣寬度比普通的貼片天線窄[5]。

四、Fabry-Perot諧振器天線

4.1天線結(jié)構(gòu)

為了同時實現(xiàn)寬頻帶和高增益的性能，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，如圖2示。其中，兩層蓋板的間距為dc，下層蓋板與天線的間距為hc。

4.2參數(shù)設(shè)計

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

兩層蓋板均選用介電常數(shù)，厚度h=1.27mm的介質(zhì)材料，其中上層介質(zhì)鉆孔的EBG結(jié)構(gòu)中，周期單元呈60°菱形結(jié)構(gòu)排列，周期尺寸，空氣孔半徑r=3.7mm，該結(jié)構(gòu)對14GHz的電磁波具有二維全方向的電磁帶隙[6]，基于此將14GHz定為整個天線結(jié)構(gòu)的中心頻率。

設(shè)計天線時首先初步選取U型縫隙貼片饋源結(jié)構(gòu)的各個參數(shù)值，使饋源的諧振頻率略高于14GHz；根據(jù)天線結(jié)構(gòu)諧振頻率的要求，選定dc=5.4mm，hc=9.6mm；再對U型縫隙貼片饋源結(jié)構(gòu)的各個參數(shù)值進行優(yōu)化，保證天線的高增益和寬頻帶性能。最終選定的參數(shù)如下：Px=9.3mm、Py=4.8mm、ux=5.2mm、uy=3.7mm、Wv=Wh=0.6mm、su=0.5mm、fy=2.4mm。

4.3仿真結(jié)果

采用上述參數(shù)設(shè)計，對天線性能進行了仿真，結(jié)果如下：

阻抗頻帶（-10dB回波損耗）為 （13.49-15.91） GHz，相對帶寬為17.3%；增益在14GHz達到最大值17.83dBi，3dB增益頻帶為 （13.51-14.59） GHz，相對帶寬為7.7%；其實用頻帶（阻抗頻帶和增益頻帶的公共部分）即為 （13.51-14.59） GHz，相對帶寬7.7%；E/H面輻射方向性圖的主瓣半功率寬度為18度/18.5度，對電磁波起到了聚焦作用；E面波瓣圖的旁瓣比主瓣低，為-15.3dB，也就是說旁瓣有所改善；后瓣很小，前后比約為23.4dB。

因此，這種Fabry-Perot諧振器天線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了寬頻帶、高增益的性能；同時改善了旁瓣的大小，降低了天線的高度。

五、結(jié)語

本文提出了一種Fabry-Perot諧振器天線，通過在U型縫隙矩形貼片上方疊加雙層介質(zhì)蓋板，能夠在保證天線小型化的基礎(chǔ)上實現(xiàn)寬頻帶和高增益。

參 考 文 獻

[1] Xiao-Hai Shen， Guy A.E. Vandenbosch， Antoine R and Van de Capelle. “Study of Gain Enhancement Method for Microstrip Antennas Using Moment Method”， IEEE trans. on Ant. & Prop，. vol. 43， no. 3， Mar. 1995， pp. 227-231.

[2]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。

[3] T. Huynh and K.F. Lee， “Single-Layer Single-Patch Wideband Microstrip Antenna，” Electron. Lett.， Vol. 31， No. 16， 1995， pp. 1310-1312.

[4] K.F. Lee， K.M. Luk， Y.L. Yung， K.F. Tong， and T. Huynh， “Experimental Study of the Rectangular Patch with a U-Shaped Slot，” IEEE-APS Inter. Symp. Dig.， 1996， pp. 10-13.

[5] K.F. Lee and W. Chen， “Advances in Microstrip and Printed Antennas，” Wiley-Interscience， 1997.

施曉瓊，“介質(zhì)PBG結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用”，東南大學(xué)碩士論文，2003。

【摘要】 設(shè)計了一種Fabry-Perot諧振器天線，相對于微帶貼片天線而言具有較寬的頻帶和較高的增益。仿真結(jié)果表明，該天線的實用頻帶的相對帶寬達到了7.7%，增益最大值達到了17.83dBi，能對電磁波起到較好的聚焦作用，并且在一定程度上改善了旁瓣和后瓣。

【關(guān)鍵詞】 天線 Fabry-Perot U型縫隙矩形貼片 EBG

一、引言

微帶貼片天線具有印刷電路工藝的全部優(yōu)點，體積小、剖面低、制造成本低、易于結(jié)構(gòu)共形、適合與電路集成，因而得到了廣泛的應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的貼片天線是高Q值的諧振結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了其頻帶較窄，一般在5%以下。此外，由于金屬損耗和介質(zhì)損耗的存在，使得貼片天線的效率較低，功率容量小。

Fabry-Perot諧振器最初應(yīng)用在光學(xué)領(lǐng)域，其可以有選擇地傳播或反射特定波長的電磁波。鑒于Fabry-Perot諧振器結(jié)構(gòu)對電磁波傳播具有選頻的作用，滿足諧振條件的電磁波穿透Fabry-Perot諧振器后能同相疊加而增強。將此Fabry-Perot諧振器結(jié)構(gòu)應(yīng)用在天線系統(tǒng)中，也能明顯提高天線的輻射定向性。

二、Fabry-Perot諧振器結(jié)構(gòu)

在印刷天線上方加上蓋板，構(gòu)成Fabry-Perot諧振器結(jié)構(gòu)，能夠有效增大天線的增益。若選用一層介質(zhì)型蓋板結(jié)構(gòu)，通常蓋板與天線的間距取為λ/2，此時為了滿足諧振條件，介質(zhì)蓋板的厚度應(yīng)為λg/4（反射蓋板的最佳值[1]）。

然而，在實際應(yīng)用中，可選用的介質(zhì)板厚度受限于產(chǎn)品規(guī)格，有時不能完全滿足諧振要求。此外，如果在較低的頻段上設(shè)計反射蓋板，其λg/4的尺寸是不切實際的。因此考慮將單層較厚的介質(zhì)蓋板改換為兩層有空氣間隔而厚度較薄的介質(zhì)蓋板[2]。

三、寬頻帶饋源輻射器

饋源輻射器用于激勵F-P諧振器，它的性能直接影響諧振器天線的特性。為了實現(xiàn)較寬的頻帶特性，需要選擇寬頻帶的饋源輻射器。單層單貼片的寬帶微帶天線結(jié)構(gòu)能夠保證天線的低輪廓，同時當(dāng)用于陣列時不會引入柵瓣。Huynh和Lee[3]報告了U型縫隙微帶矩形貼片的測量結(jié)果，證明了其寬帶特性。此后，Lee等[4]研究了一系列中心頻率在4.5GHz左右的U型縫隙天線，同樣證明了其寬帶性能，并分析了不同參數(shù)對天線性能的影響。該天線結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)寬頻帶或雙頻帶性能，增益大約為7dBi。

此處饋源輻射器選用的是U型縫隙矩形貼片結(jié)構(gòu)（如圖1示）。

U型縫隙矩形貼片是用單層單貼片實現(xiàn)寬頻帶或雙頻性能的典型例子。沿著縫隙邊緣的電流引入了另一個諧振，產(chǎn)生了寬帶或雙頻響應(yīng)；縫隙引入了容性電抗，與探針引入的感性電抗形成了第三個諧振機理；其輻射場是線極化的，E面平行于垂直的縫，H面平行于水平的縫，半功率波瓣寬度比普通的貼片天線窄[5]。

四、Fabry-Perot諧振器天線

4.1天線結(jié)構(gòu)

為了同時實現(xiàn)寬頻帶和高增益的性能，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，如圖2示。其中，兩層蓋板的間距為dc，下層蓋板與天線的間距為hc。

4.2參數(shù)設(shè)計

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

兩層蓋板均選用介電常數(shù)，厚度h=1.27mm的介質(zhì)材料，其中上層介質(zhì)鉆孔的EBG結(jié)構(gòu)中，周期單元呈60°菱形結(jié)構(gòu)排列，周期尺寸，空氣孔半徑r=3.7mm，該結(jié)構(gòu)對14GHz的電磁波具有二維全方向的電磁帶隙[6]，基于此將14GHz定為整個天線結(jié)構(gòu)的中心頻率。

設(shè)計天線時首先初步選取U型縫隙貼片饋源結(jié)構(gòu)的各個參數(shù)值，使饋源的諧振頻率略高于14GHz；根據(jù)天線結(jié)構(gòu)諧振頻率的要求，選定dc=5.4mm，hc=9.6mm；再對U型縫隙貼片饋源結(jié)構(gòu)的各個參數(shù)值進行優(yōu)化，保證天線的高增益和寬頻帶性能。最終選定的參數(shù)如下：Px=9.3mm、Py=4.8mm、ux=5.2mm、uy=3.7mm、Wv=Wh=0.6mm、su=0.5mm、fy=2.4mm。

4.3仿真結(jié)果

采用上述參數(shù)設(shè)計，對天線性能進行了仿真，結(jié)果如下：

阻抗頻帶（-10dB回波損耗）為 （13.49-15.91） GHz，相對帶寬為17.3%；增益在14GHz達到最大值17.83dBi，3dB增益頻帶為 （13.51-14.59） GHz，相對帶寬為7.7%；其實用頻帶（阻抗頻帶和增益頻帶的公共部分）即為 （13.51-14.59） GHz，相對帶寬7.7%；E/H面輻射方向性圖的主瓣半功率寬度為18度/18.5度，對電磁波起到了聚焦作用；E面波瓣圖的旁瓣比主瓣低，為-15.3dB，也就是說旁瓣有所改善；后瓣很小，前后比約為23.4dB。

因此，這種Fabry-Perot諧振器天線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了寬頻帶、高增益的性能；同時改善了旁瓣的大小，降低了天線的高度。

五、結(jié)語

本文提出了一種Fabry-Perot諧振器天線，通過在U型縫隙矩形貼片上方疊加雙層介質(zhì)蓋板，能夠在保證天線小型化的基礎(chǔ)上實現(xiàn)寬頻帶和高增益。

參 考 文 獻

[1] Xiao-Hai Shen， Guy A.E. Vandenbosch， Antoine R and Van de Capelle. “Study of Gain Enhancement Method for Microstrip Antennas Using Moment Method”， IEEE trans. on Ant. & Prop，. vol. 43， no. 3， Mar. 1995， pp. 227-231.

[2]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。

[3] T. Huynh and K.F. Lee， “Single-Layer Single-Patch Wideband Microstrip Antenna，” Electron. Lett.， Vol. 31， No. 16， 1995， pp. 1310-1312.

[4] K.F. Lee， K.M. Luk， Y.L. Yung， K.F. Tong， and T. Huynh， “Experimental Study of the Rectangular Patch with a U-Shaped Slot，” IEEE-APS Inter. Symp. Dig.， 1996， pp. 10-13.

[5] K.F. Lee and W. Chen， “Advances in Microstrip and Printed Antennas，” Wiley-Interscience， 1997.

施曉瓊，“介質(zhì)PBG結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用”，東南大學(xué)碩士論文，2003。