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2017年2月西安电子科技大学学报（自然科学版）Feb.2017第44卷第1期JOURNALOFXIDIANUNIVERSITYVol.44No.1______________________________收稿日期：网络出版日期：作者简介：冀璐阳(1989-)，西安电子科技大学博士研究生，E-mail：luyangji078@gmail.com．网络出版地址：doi：10.3969/j.issn.1001-2400.2017.01.006宽带法布里-珀罗谐振腔天线冀璐阳1，傅光2,1，张志亚2，1，龚书喜2,1(1.西安电子科技大学天线与微波技术重点实验室，陕西西安710071；2.西安电子科技大学信息感知技术协同创新中心，陕西西安710071)摘要：为了改善法布里-珀罗谐振腔（Fabry-PerotCavity，FPC）天线的带宽性能，提出了一种新的解决方案—在地板上加载具有渐变形式的波纹结构，并设计了一种具有高增益和宽带性能的FPC天线。采用这种渐变的波纹结构可以令地板与反射覆层之间的距离逐渐减小，合理地补偿辐射场的相位，从而改善了辐射口径的场分布，因此能够有效地展宽天线的增益带宽。通过对该天线进行仿真分析，其结果表明，加载波纹结构这一方法准确有效，天线最大增益下降3dB对应的带宽（3dB增益带宽）从不加载时的17%提高到24%。同时，天线的阻抗带宽和最大增益基本保持不变，分别为35.7%和14.7dBi。该设计因具有相对较宽的带宽性能，可以被广泛地应用在无线通信等领域。关键词：宽带;谐振腔天线;波纹结构.中图分类号：TN822+.6文献标识码：A文章编号：1001-2400(2017)01-0032-06WidebandFabry-PerotcavityantennaJILuyang1,FUGuang2,1,ZHANGZhiya2，1,GONGShuxi2,1(1.NationalKeyLaboratoryofAntennasandMicrowaveTechnology,XidianUniv.,Xi’an710071,China;2.CollaborativeInnovationCenterofInformationSensingandUnderstanding,XidianUniv.,Xi’an710071,China)Abstract:InordertoimprovetheradiationbandwidthoftheFabry-PerotCavity(FPC)antenna,anewapproachhasbeenproposed,namelyemployingataperedcorrugationstructureonthegroundplane.Toverifytheproposedmethod,awidebandhigh-gainFPCantennaisdesigned.Byintroducingthecorrugationstructure,theheightofthecavitycanbegraduallyreduced.Thisway,thephaseoftheradiationfieldcanbecompensated,whichleadstoawell-distributedradiationaperture.Therefore,the3dBgainbandwidthcanbeenhanced.ThisstructureiscalculatedbyCSTMicrowaveStudio.Theresultsvalidatetheproposedapproach,whichhelps3dBgainbandwidthimprovingfrom17%to24%.Moreover,the10dBimpedancebandwidthandthemaximumrealizedgainremainunchanged,35.7%and14.7dBi,respectively.Thisdesigncanbewidelyusedinmanyapplications,suchaswirelesscommunication,duetoitsrelativelywidebandwidth.KeyWords:wideband;cavityantenna;corrugationstructure.FPC天线由馈源天线（一般为矩形波导或者微带天线），地板和放置在地板上方部分反射表面（PartiallyReflectiveSurface，PRS）组成。PRS与地板之间形成了一个谐振腔，从馈电单元辐射出来的电磁波在谐振腔中不断地传输和反射，当满足一定的谐振条件时，透射出介质覆层的电磁波可以实现同相叠加，因此提高了天线的增益。FPC天线具有结构和馈电简单以及增益较高的良好特性，因此得到了广泛的关注[1-2]。:27:26第1期冀璐阳等：宽带法布里-珀罗谐振腔天线天线仍属于一种谐振结构，它的阻抗带宽以及3dB增益带宽都比较窄，这些都限制了它在更多领域的应用。通常采用两种方法来拓展FPC天线的增益带宽：1）用阵列天线作为馈源激励PRS的谐振腔，使谐振腔内的场分布更为均匀，实现更有效地辐射，从而展宽增益带宽[3-4]。这种方法使谐振腔的馈源天线由单馈变为多馈，需要引入额外的馈电网络，由此引起的能量损耗降低了天线的辐射效率，使FPC天线失去了辐射效率高的优点。2）优化谐振腔天线的PRS结构。可以通过使用尺寸渐变的频率选择表面（FrequencySelectiveSurface，FSS）作为FPC天线的反射覆层或地板[5-6]。这一方法是通过将天线的场由球面波转化为平面波，从而达到展宽带宽的目的，因此提高效果十分有限。另外，优化PRS的结构可以通过使用多层介质覆层或者多层FSS结构，使其反射相位随频率变化的斜率为正值（通常情况为负值）。根据这种思路，文献[7-9]设计了拥有这种特性的反射表面，使FPC天线的3dB增益带宽提升至16%。由于谐振腔和PRS都具有窄带特性，透射出PRS的电磁波只能在很窄的频带范围内满足谐振条件。本文提出了一种新的方法用来展宽FPC天线的增益带宽，即在FPC天线的地板上加载具有渐变形式的波纹结构。这种结构可以逐渐减小地板与反射覆层之间的腔体高度，对不同反射路径之间辐射场的相位进行了合理的补偿，从而改善了辐射口径的场分布，使得透射出PRS的电磁波可以在更宽的频率范围内实现同相叠加。这种方法通过改善FPC天线谐振腔的内部结构，降低了谐振腔的品质因数，从而有效地拓展了其增益带宽。1天线设计传统的FPC天线如图1所示，它是由馈源天线、地板和PRS组成的。馈源天线位于地板上方，PRS放置在距离地板上方Lr处，其反射系数为Γ=rxexp(φ)，其中r为反射幅度，为φ反射相位。根据文献[10]中的射线理论，当下列条件满足时，FPC天线将具有最大的方向系数，420,1,2,rLNNπϕππλ−−==±±…(1)其中λ0为自由空间波长。因此，谐振腔的高度也可以被确定为，10,1,2,42rLNNϕλλπ⎛⎞=−+=±±…⎜⎟⎝⎠(2)012地板馈源 PRSLr图1传统FPC天线的结构示意图由上式可得，当PRS结构和腔体的高度Lr确定后，FPC天线只在很窄的频带范围内能够满足谐振条件。当加载高度渐变的楔形结构后，有关PRS结构的φ值不发生改变，而腔体的高度Lr逐渐变小，由公式(2)可得FPC天线的工作波长λ0也逐渐变小，此时对应的谐振频率f0增加。利用这种方法，FPC天线相较原来的传统结构可以在一个较宽的频率范围内满足谐振条件，因此其增益带宽可以得到有效地提高。经过上述分析，本文提出了一种腔体高度渐变的FPC天线。该天线采用渐变波纹结构来实现腔体高度的变化。结构如图2(a)所示。该设计的总体尺寸为2.6λ0×2.6λ0（λ0为5.2GHz的自由空间波长）。PRS结构采用介电常数为4.4，厚度为λg/4的FR-4介质板（λg为5.2GHz的波导波长），放置在地板上方Lr=30mm西安电子科技大学学报（自然科学版）第44卷位置处。加载在地板上的渐变波纹结构如图2(b)所示，该图中显示了波纹结构的具体尺寸。波纹结构由15个波纹单元构成，每个波纹单元的高度为hc=10mm，厚度为wc=2mm，两单元之间的间距dc=10mm，渐变角度θ=arctan(10/45)≈12.53°。文中采用探针中心馈电的金属U型槽矩形贴片天线作为馈源，距离地板高度为4.4mm，结构如图2(c)所示。贴片天线及U型槽尺寸如下：Lp=40mm，Wp=21mm，Ls1=14.8mm，Ls2=12.6mm，Ws=1.8mm，du=4.5mm。wcdcθ地板PRSλg/4波纹结构Lr(a)天线整体结构(b)渐变波纹结构WpLpWsLs1Ls2probedu(c)馈源结构图2天线结构图2天线分析为了研究渐变波纹结构对天线阻抗带宽和增益带宽的影响，本文通过仿真对波纹结构的主要参数厚度wc，高度hc和角度θ进行了详细的分析和对比。2.1波纹结构厚度wc对带宽的影响*文中分别选取wc为0.5m，1mm，2mm，3mm这四种情况进行对比，仿真结果如图3所示：wc的变化对天线的阻抗性能影响较小，天线的10dB阻抗带宽为35.7%；随着wc的增加，天线的增益带宽略有提升，从wc=0.5mm时的22.5%增加到wc=3mm时的24.3%，但天线的最大增益值从14.8dBi下降到14.65dBi。2.2波纹结构高度hc对带宽的影响*文中分别选取hc为8mm，10mm，12mm这三种情况进行分析对比，结果如图4所示。由该图可以看出，波纹的高度hc对天线的阻抗带宽和增益带宽影响均很小。2.3波纹结构间距dc对带宽的影响*由于地板尺寸和波纹个数的限制，文中分别选取dc为8m，9mm，10mm这三种情况进行比较，分析结果如图5所示。可以看出，dc对天线的阻抗带宽影响不大，其变化范围为35.4%(dc=10mm)到36.4%(dc=9mm)。而天线的3dB增益带宽随着dc的增加逐渐变宽，由21%提升至22.4%，并且天线的最大增益由14.2dBi提高至14.7dBi。2.4波纹结构角度θ对带宽的影响*文中分别选取θ为9°，12°，15°，仿真对比结果如图6所示：随着θ的增加，天线的阻抗带宽由θ=9°时的35.6%增加至θ=15°时的38.2%，3dB增益带宽也由20.6%提高至24.8%，但最大增益值下降了0.4dBi。第1期冀璐阳等：宽带法布里-珀罗谐振腔天线(a)阻抗带宽(b)增益带宽图3波纹结构厚度wc对天线性能的影响(a)阻抗带宽(b)增益带宽图4波纹结构高度hc对天线性能的影响(a)阻抗带宽(b)增益带宽图5波纹结构间距dc对天线性能的影响(a)阻抗带宽(b)增益带宽图6波纹结构角度θ对天线性能的影响根据以上分析，可以通过调整厚度wc，间距dc，和角度θ来优化波纹的结构，从而在不改变FPC天西安电子科技大学学报（自然科学版）第44卷增益带宽。综合考虑天线阻抗带宽、增益带宽以及最大增益这三方面因素，最终选取hc=10mm，wc=2mm，dc=10mm，θ=12°。3天线结果加载渐变波纹结构前后的仿真对比结果如图7所示。从图中可以看出，在地板上加载楔形结构以后天线的阻抗带宽为35.7%，最大增益值为14.7dBi，与不加载波纹结构时天线的性能基本一致。而天线的3dB增益带宽得到提高，由原来的17%提升到24%。图8给出了加载渐变波纹结构前后三个频点的E面方向图。从图8(a)可以看出，不加载波纹结构时，天线5.2