基于高阻表面和波纹槽结构的法布里-珀罗天线研究

曹卫平 唐 茜 李思敏 张静媛

（桂林电子科技大学认知无线电与信息处理省部共建教育部重点实验室，广西桂林541004）

基于高阻表面和波纹槽结构的法布里-珀罗天线研究

曹卫平 唐 茜 李思敏 张静媛

（桂林电子科技大学认知无线电与信息处理省部共建教育部重点实验室，广西桂林541004）

针对尺寸有限的法布里-珀罗（Fabry-Perot，FP）天线副瓣较大、增益带宽窄的问题，提出了一种基于高阻表面和波纹槽结构的新型FP天线模型.同时使用三维全波电磁场仿真软件CST就传统FP谐振结构、周期性以及非周期性加载高阻表面阵列和波纹槽结构对天线辐射性能的影响进行数值分析.模拟和实验测试结果表明：与传统FP谐振结构相比，加载周期结构仅能在较窄频带内提高天线增益，而加载非周期结构能使该天线增益在更宽频带内得到提高且其增益稳定性更好.

高阻表面；波纹槽；高增益；法布里-珀罗；非周期

引 言

20世纪中期，在Townes提出辐射放大原理后，Schawlow首次提出了没有侧壁的开放式法布里-珀罗（Fabry-Perot，FP）腔振荡结构.该结构随后被广泛应用于天线的优化设计中，并使天线增益得到明显改善［1－6］，但受尺寸有限的传统金属地板限制，其边缘和棱角等不连续位置处能激励起表面电流，产生边缘绕射［7］，从而引起后向辐射，造成大量功率损耗.1999年，D.Sievenpiper提出了高阻表面（High Impedance Surface，HIS）［7－8］和波纹槽［8］结构，利用其高阻特性可以有效抑制表面波的传输.本文结合HIS和波纹槽结构提出一种新型FP谐振天线模型.针对周期性HIS结构所表现出禁带较窄问题，提出了非周期HIS结构，从而使其禁带较窄问题得到有效改善，且在更宽频带内提高天线增益.

1 理论基础及设计分析

1.1 基于波导辐射源的FP谐振天线结构分析

FP谐振结果是一种开放式的腔体结构，由辐射源及其上方具有部分反射和透射功能的盖板且成［9］，如频率选择表面［10］、电磁带隙结构［11］、人工磁导体材料［12］等.本文采用波导作为辐射源，金属网格作为盖板，天线结构如图1所示.其中，FP谐振腔的谐振距离lr可由下式表示［13］：

式中：φ0为盖板的反射相位；λ为工作频点的波长；N＝0，1，2，….

由于波导口辐射的电磁波会在盖板和地面之间不断进行反射和透射，当谐振距离lr为半波长的整数倍时，历次透射出盖板的电磁波同相叠加，从而提高天线的增益.

利用CST电磁仿真软件对工作频率在10GHz处的普通波导天线和FP谐振天线结构进行仿真分析，其E面辐射方向图如图2所示，其中普通波导天线最大增益为7.2dBi，方向图波束较宽，无法形成有效的定向辐射；而FP谐振天线的辐射方向图波束宽度明显变窄，增益提高至14.8dBi，验证了FP谐振结构确实具有锐化波束、提高天线增益的作用.但同时发现，由于反射地板的边缘绕射效应，天线辐射方向图后瓣较大.针对上述问题，本文提出了在天线反射地板上构建HIS和波纹槽结构，以此改善天线的辐射特性.

1.2 加载周期HIS和波纹槽的天线结构分析

1.2.1 波纹槽结构基本理论

图3为波纹槽结构，槽宽很窄，远小于一个波长，槽深约为1／4波长，每个槽都可近似看成平行板传输线，表面电流流经槽底部形成短路［8］.根据传输线理论［14］可知，波纹槽顶端的阻抗可表示为

当l＝λ／4时，由公式（2）可知，表面阻抗Z趋于无穷大，此时波纹槽顶端表面阻抗很高，具有高阻抗特性，从而对表面波起到抑制作用.

1.2.2 周期HIS结构基本理论

图4为波导上的HIS结构，该结构可被看作是并联的LC网络，其表面阻抗［15］可由下式计算

谐振频率为

贴片和接地板之间以及相邻贴片之间不断积累电荷，形成电容，其等效公式为

式中，εr为相对介电常数.

同时，贴片通过过孔与地连接形成电感，其等效公式可表示为

由公式（3）可知，在谐振频率ω0附近，该结构的表面阻抗趋于无穷大，具有高阻特性.此时HIS能够抑制电流在导体表面流动，使得波导口附近的表面电流迅速衰减，从而减少边缘绕射及其引起的后向辐射损耗.

1.2.3 仿真结果及分析

为确定高阻表面单元尺寸，采用波导测量的方式，将5×14周期高阻表面阵列单元放入波导中，采用介电常数εr＝3.38，厚度h＝1.52mm的RO4003C材料.当高阻表面的贴片边长w＝2mm，贴片间隙g＝0.1mm时，在所要求的设计频带10 GHz左右出现一个禁带，如图5所示.由图可知，周期HIS阵列结构只能在较窄频带内表现出高阻特性.

将高阻表面阵列和波纹槽结构加载到如图1所示FP波导天线上，其最终结构如图6所示.经过仿真优化得到天线的结构参数ls＝85mm，ws＝73 mm，d＝12.5mm，lr＝16mm，cw＝2mm，r＝12 mm，高阻表面周期：p＝w＋g＝2.1mm，其阵列单元围绕波导口一圈一圈排列，共14个周期，波纹槽围绕在高阻表面周围，进一步抑制表面电流的传播.图7给出了10GHz时加载周期HIS阵列和波纹槽结构后，天线E面和H面的辐射方向图，仿真结果表明，该结构能够明显抑制FP天线的后瓣并且使得前向增益得以提高，前后比为29.8.此外，由于表面波传输能量的急剧衰减，由边缘绕射而产生的一系列旁瓣和零点明显减少.

1.3 加载非周期HIS和波纹槽的天线结构分析

1.3.1 非周期HIS结构设计

为了拓展增益带宽，本文提出一种非周期HIS阵列和波纹槽结构相结合的天线模型，其中非周期HIS采用一种准周期结构阵列，其结构如图8所示.相同颜色的贴片具有相同尺寸，保持p＝2.3mm，改变贴片单元的尺寸，使得贴片围绕波导中心向边缘递减.

由公式（4）和（5）可知，非周期HIS阵列单元尺寸的不同使得等效电容值发生变化，进而影响其谐振频率.由于不同尺寸的单元对应不同的谐振频带，通过合理调节单元大小，使其对应的频带相互靠近或叠加，从而实现谐振频带的展宽.由公式（3）可知HIS在谐振频率附近具有高阻特性，因此通过对阵列单元尺寸的设计，非周期HIS能在更宽的频带内表现出高阻特性，进而在宽频带内提高天线增益.

1.3.2 仿真结果及分析

为确定非周期高阻表面阵列单元的尺寸，依然采用波导测量的方式，将5×12非周期高阻表面阵列单元放入波导中，介质材料保持不变.经多次调试，采用如表1所示的贴片尺寸，产生禁带如图9所示.由图可知，非周期的HIS结构能够在更宽的频带内产生禁带，使得抑制表面波的频带展宽，从而在宽频带内提高天线增益.

图10 给出了不同结构天线增益比较图.加载周期HIS阵列和波纹槽后，能够明显提高FP天线的增益，最高增益达18.2dBi；而用非周期HIS阵列替换后，天线的最高增益有所下降，这是因为非周期HIS阵列采用四种不同尺寸的单元，对应着不同的谐振频点，因此，在其禁带区域内对表面波抑制程度不同.在10GHz处抑制效果最强，偏离10GHz逐渐减弱，导致天线增益降低.其次，由于HIS阵列尺寸发生变化，使得腔体中的电磁环境更为复杂，此时透射出去电磁波的相位差要大于周期结构，削弱了10GHz处电磁波的汇聚能力，从而使得加载非周期HIS阵列天线的最高增益在10GHz处低于周期结构.

2 实验测试

为了验证仿真结果的准确性，我们对加载非周期HIS阵列和波纹槽结构的天线进行加工制作，其实物图如图11所示，并通过Aglient N5230A矢量网络分析仪测试S参数，图12给出了该结构的仿真和测试结果并且和加载周期结构的仿真结果进行了对比分析.仿真得到周期结构回波损耗小于－10 dB的频带范围为9.51～10.44GHz，非周期结构的仿真和测试结果分别为9.55～10.50GHz、9.66～10.68GHz.两种结构阻抗带宽相差不大，说明加载周期和非周期HIS阵列对天线的阻抗带宽无明显影响.由图12可知，测试结果的中心频率略有偏移，回波损耗比仿真结果要高，整体基本与仿真结果吻合，验证了本文分析结果的正确性.

采用NSI-700S-60近远场天线测量系统对所设计天线结构进行了远场测试.图13为加载周期HIS和波纹槽以及加载非周期HIS和波纹槽后仿真和测试的E面辐射方向图，与预期一致，天线能够形成良好的定向辐射.在工作频点10GHz处，加载周期结构得到天线的最大增益为18.2dBi；加载非周期结构后，仿真和测试得到天线的最大增益分别为17.5dBi、16.8dBi，且仿真和实测辐射方向图基本一致.相对于周期结构天线的最大增益略有下降，但是后瓣明显变小，这也证明了上文的分析结果.

3 结 论

基于高阻特性理论提出了一种新型高增益法布里-珀罗天线.利用在法布里腔体中加载高阻表面和波纹槽的方法实现对天线后瓣的抑制和增益带宽的展宽.对传统FP、加载周期HIS和波纹槽以及加载非周期HIS和波纹槽三种天线结构进行仿真分析.研究结果表明：FP谐振结构虽能显著提高波导天线的增益，但它具有后瓣较大的缺点；加载周期HIS和波纹槽结构仅能在工作频率附近抑制后向辐射，提高天线增益；而加载非周期后，FP天线的增益在更宽的频带内大幅提高且该结构具有更好的增益稳定性.

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Fabry-Perot resonator antenna with high impedance surface and corrugated groove

CAO Weiping TANG Qian LI Simin ZHANG Jingyuan
（Key Laboratory of Cognitive Radio and Information Processing of Ministry of Education，Guilin University of Electronic Science and Technology，Guilin Guangxi 541004，China）

A new type of antenna based on high impedance surface（HIS）and corrugated groove is proposed to solve the problem of big sidelobes and narrow gain bandwidth in Fabry-Perot（FP）resonant antenna for limited size.Simultaneously，the traditional FP resonant antenna，loading periodic structure and the aperiodic HIS arrays and corrugated groove structures are numerical analyzed by CST software.The measured and simulation results show that compared with the traditional resonant structure，the gain of the new structure can be improved only in a narrow band after loading periodic HIS arrays and corrugated groove，however，after loading aperiodic HIS arrays and corrugated groove，the gain is increased in a wider bandwidth and the gain stability is much better.Key words high impedance surface；corrugated structure；high gain；Fabry-Perot；aperiodic

TN82

A

1005-0388（2015）01-0177-06

曹卫平 （1971－），男，湖南人，教授、博士，桂林电子科技大学硕士生导师，主要从事射频和天线方面的研究.

唐 茜 （1990－），女，重庆人，桂林电子科技大学硕士研究生，主要从事天线方面的研究.

李思敏 （1963－），男，江苏人，博士、教授、博士生导师，主要从事宽带小型化天线、高功率微波、计算电磁学、微波通信的研究工作.

曹卫平，唐 茜，李思敏，等.基于高阻表面和波纹槽结构的法布里-珀罗天线研究［J］.电波科学学报，2015，30（1）：177-182.

10.13443／j.cjors.2014022402

CAO Weiping，TANG Qian，LI Simin.Fabry-Perot resonator antenna with high impedance surface and corrugated groove［J］.Chinese Journal of Radio Science，2015，30（1）：177-182.（in Chinese）.doi：10.13443／j.cjors.2014022402

2014-02-24

国家自然科学基金（61361005）；广西自然科学基金（2012GXNSFAA053233）；通信网信息传输与分发技术重点实验室开放课题（ITD-U1300x／K13600xx）

联系人：曹卫平E-mail：weipingc＠163.com