X波段加载部分反射表面的宽带谐振腔天线

刘 影，苏 坪，郭培培，李明亮，刘永杰

(上海无线电设备研究所，上海 201109)

0 引言

随着无线通信技术的迅速发展，对于宽带高增益天线的需求越来越迫切，尤其是在频率较高的微波、毫米波频段[1]。传统的天线高增益性能可以通过加载反射器[2]、波导喇叭[3]以及微带天线阵列[4]等方式实现，但存在成本高、设计复杂等问题。谐振腔天线(Resonant Cavity Antenna，RCA)[5]作为一种定向天线，因其结构及馈电机理简单、成本低等诸多优势，引起了学者的广泛关注。

在最近几十年里，电磁带隙 (Electromagnetic Band Gap，EBG)结构在抑制电磁波传播方面的应用引起了学者的广泛关注，其中一个重要的应用是高增益的法布里-珀罗谐振腔天线，也就是EBG谐振腔天线[6]。传统的EBG谐振腔天线，用EBG结构作为部分反射表面(Partially Reflective Surface，PRS)。PRS放置于距接地平面一定距离的上方，与接地平面之间形成空气腔，通过单个天线或天线阵列馈电，天线的主要性能由PRS的电磁属性决定。这种EBG谐振腔天线是一种典型的窄带谐振腔天线[7]。提高谐振腔天线增益带宽的方法一般有三种:一是采用阵列天线替代单个天线进行馈电[8]，然而复杂的馈电网络给天线设计带来了难度；二是通过使用高阻抗表面和单层的频率选择表面分别作为接地平面和部分反射表面，来提高谐振腔天线的带宽[9]；三是使用具有正反射系数相位梯度的部分反射表面作为覆盖层，在宽频带内实现较高的增益[10]。上述三种方法中，最后一种方法对宽带谐振腔天线的实现最为有效，并且最简单、最容易实现，同时天线剖面高度也是最小的。

针对传统EBG谐振腔天线的窄带缺点，基于上述第三种方法，设计了一种新型的宽带谐振腔天线。相比文献[10]中所提出的PRS，本文所设计的PRS具有更加紧凑的结构特征，并能够提供相对更高的增益性能。通过紧凑型PRS与宽带孔径耦合贴片天线(馈源天线)的结合，能够有效提高宽带谐振腔天线的增益。

1 谐振腔天线理论

谐振腔天线由馈源天线、接地平面和放置在接地平面上方的部分反射表面组成。部分反射表面与接地平面之间形成一个谐振腔，从馈电单元辐射的电磁波在谐振腔中不断传输和反射，当满足一定的谐振条件时，透射出介质层的电磁波可以实现同向叠加，因此提高了天线的增益。

谐振腔天线的工作频率、方向性、增益带宽等特性主要由PRS的电磁属性决定。其中工作频率计算公式为[10]

式中:c为光速；h为谐振腔高度，即PRS与接地平面之间的距离；φH和φL分别为PRS和接地平面的反射系数相位。

当接地平面为理想电导体(Perfect Electric Conductor，PEC)时，φL=π，式(1)可改写为

由式(2)可知，当f与φH成正比时，可以保证谐振腔高度h保持不变。PRS能够实现在宽频带内频率f与反射系数相位φH成正比。利用这一特点，RCA可以在一个较宽的频率范围内满足谐振条件[11]。

谐振腔天线的方向性系数D由馈源天线和PRS的方向性系数决定，计算公式为

式中:DFeed为馈源天线的方向性系数；DPRS为PRS的方向性系数；ρ为PRS的反射系数幅度。由式(4)可知，PRS的反射系数幅度ρ越大，DPRS越大，则D就越大。

RCA的口径尺寸估算公式为[12]

式中:λ为RCA的工作波长。

2 宽带谐振腔天线设计

2.1 部分反射表面设计

对于谐振腔天线而言，PRS的设计至关重要。本文所设计的PRS具有互补紧凑的结构特征，并且具有正反射系数相位梯度，能够在宽频段内给馈源天线提供较高的增益。

选用Rogers RT/duriod 5880作为PRS的介质基板，PRS由双面敷铜周期阵列结构的介质基板组成，介质板厚度d=0.781 mm，如图1所示。PRS上表面由方形环状金属内嵌方形金属贴片结构组成；下表面由方形环状金属和去方形孔状金属贴片结构组成。

图1 PRS阵列结构示意图

PRS的单元结构如图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。

图2 PRS单元结构示意图

利用HFSS电磁仿真软件，结合主从边界条件，对单元进行仿真，得到的PRS的反射系数相位与幅度随频率变化曲线如图3所示。在(9～11)GHz频段范围内，PRS的反射系数具有正梯度相位，并且反射系数幅度大于0.59。设计的PRS能够在(9～11)GHz频段范围内提供较高的增益。

图3 PRS反射系数仿真结果

2.2 馈源天线设计

对于一个高增益的宽带谐振腔天线而言，馈源天线的设计至关重要，必须具有较宽的工作带宽和较高的增益。为了满足宽带谐振腔天线的基本要求，采用宽带口径耦合贴片天线作为馈源天线，如图4所示。其具体结构参数: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。

图4 馈源天线

该馈源天线通过接地平面上的矩形槽，对上方的金属贴片进行耦合馈电，馈电网络采用Y形金属馈线，有利于阻抗匹配的调节，能够使天线在较宽的频段内获得较好的阻抗匹配。

设计的馈源天线反射系数S11仿真结果如图5所示。S11≤-10 d B的匹配带宽为(9.16～11.22)GHz，相对带宽20.2%。

图5 馈源天线反射系数

馈源天线的辐射方向图仿真结果如图6所示。其中φ、θ分别表示天线辐射电场矢量在方位面和俯仰面的角度。馈源天线在9.0，9.5，10.0，10.5，11.0 GHz频段的功率最大增益分别为8.49，8.85，8.87，8.76，8.33 dBi。可以看出，该馈源天线在较宽的工作频段内具有较高的增益。

图6 馈源天线辐射方向图

2.3 谐振腔天线设计

宽带RCA由PRS与馈源天线组成，如图7所示。PRS和馈源天线的结构尺寸见图2和图4。

图7 宽带RCA结构

由式(1)可以估算h，其取值在半波长左右。调节h可以改变天线的阻抗匹配带宽。宽带RCA的口径尺寸，可以利用式(2)～式(5)进行估算。最终优化结果，h选用15.5 mm，PRS选用13×13单元元胞结构。

宽带RCA反射系数仿真结果如图8所示。可知该RCA能够在X波段实现S11≤-10 dB、匹配带宽(8.92～11.16)GHz、相对带宽22.3%的性能指标。

图8 宽带RCA反射系数

宽带RCA辐射方向图仿真结果如图9所示。RCA 在9.0，9.5，10.0，10.5，11.0 GHz频段的最大增益分别为12.78，13.33，13.53，14.00，13.89 dBi。与图6对比，可以看出，以PRS作为覆盖层，馈源天线的增益得到显著提高。

图9 宽带RCA辐射方向图

3 结论

本文提出了一种新型宽带RCA，由具有正反射系数相位梯度的PRS和宽带口径耦合贴片天线(馈源天线)组成。其PRS具有紧凑的互补结构，能够在宽频带内提供较高的增益。仿真结果表明，该谐振腔天线能够在X波段实现22.3%的相对带宽，及(12.78～14.00)d Bi增益的性能指标。