一種Fabry—Perot 諧振器天線

顧瑩瑩+張欣+婁鶯+陳曉磊

【摘要】 設計了一種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、易于結構共形、適合與電路集成，因而得到了廣泛的應用。然而，傳統(tǒng)的貼片天線是高Q值的諧振結構，導致了其頻帶較窄，一般在5%以下。此外，由于金屬損耗和介質損耗的存在，使得貼片天線的效率較低，功率容量小。

Fabry-Perot諧振器最初應用在光學領域，其可以有選擇地傳播或反射特定波長的電磁波。鑒于Fabry-Perot諧振器結構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諧振器結構應用在天線系統(tǒng)中，也能明顯提高天線的輻射定向性。

二、Fabry-Perot諧振器結構

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

然而，在實際應用中，可選用的介質板厚度受限于產(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蓋板改換為兩層有空氣間隔而厚度較薄的介質蓋板[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構能夠保證天線的低輪廓，同時當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。該天線結構可以實現(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型縫隙矩形貼片結構（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；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天線結構

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蓋板，上層為介質EBG板，下層為均勻介質板，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)設計

本文的參數(shù)設計和仿真結果是借助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的介質材料，其中上層介質鉆孔的EBG結構中，周期單元呈60°菱形結構排列，周期尺寸，空氣孔半徑r=3.7mm，該結構對14GHz的電磁波具有二維全方向的電磁帶隙[6]，基于此將14GHz定為整個天線結構的中心頻率。

設計天線時首先初步選取U型縫隙貼片饋源結構的各個參數(shù)值，使饋源的諧振頻率略高于14GHz；根據(jù)天線結構諧振頻率的要求，選定dc=5.4mm，hc=9.6mm；再對U型縫隙貼片饋源結構的各個參數(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仿真結果

采用上述參數(shù)設計，對天線性能進行了仿真，結果如下：

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諧振器天線結構實現(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蓋板，能夠在保證天線小型化的基礎上實現(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，“電磁帶隙結構在寬頻帶高增益印刷天線中的應用”，東南大學碩士論文，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PBG結構的研究和應用”，東南大學碩士論文，2003。

【摘要】 設計了一種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、易于結構共形、適合與電路集成，因而得到了廣泛的應用。然而，傳統(tǒng)的貼片天線是高Q值的諧振結構，導致了其頻帶較窄，一般在5%以下。此外，由于金屬損耗和介質損耗的存在，使得貼片天線的效率較低，功率容量小。

Fabry-Perot諧振器最初應用在光學領域，其可以有選擇地傳播或反射特定波長的電磁波。鑒于Fabry-Perot諧振器結構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諧振器結構應用在天線系統(tǒng)中，也能明顯提高天線的輻射定向性。

二、Fabry-Perot諧振器結構

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

然而，在實際應用中，可選用的介質板厚度受限于產(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蓋板改換為兩層有空氣間隔而厚度較薄的介質蓋板[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構能夠保證天線的低輪廓，同時當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。該天線結構可以實現(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型縫隙矩形貼片結構（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；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天線結構

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蓋板，上層為介質EBG板，下層為均勻介質板，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)設計

本文的參數(shù)設計和仿真結果是借助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的介質材料，其中上層介質鉆孔的EBG結構中，周期單元呈60°菱形結構排列，周期尺寸，空氣孔半徑r=3.7mm，該結構對14GHz的電磁波具有二維全方向的電磁帶隙[6]，基于此將14GHz定為整個天線結構的中心頻率。

設計天線時首先初步選取U型縫隙貼片饋源結構的各個參數(shù)值，使饋源的諧振頻率略高于14GHz；根據(jù)天線結構諧振頻率的要求，選定dc=5.4mm，hc=9.6mm；再對U型縫隙貼片饋源結構的各個參數(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仿真結果

采用上述參數(shù)設計，對天線性能進行了仿真，結果如下：

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諧振器天線結構實現(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蓋板，能夠在保證天線小型化的基礎上實現(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，“電磁帶隙結構在寬頻帶高增益印刷天線中的應用”，東南大學碩士論文，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PBG結構的研究和應用”，東南大學碩士論文，2003。

【摘要】 設計了一種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、易于結構共形、適合與電路集成，因而得到了廣泛的應用。然而，傳統(tǒng)的貼片天線是高Q值的諧振結構，導致了其頻帶較窄，一般在5%以下。此外，由于金屬損耗和介質損耗的存在，使得貼片天線的效率較低，功率容量小。

Fabry-Perot諧振器最初應用在光學領域，其可以有選擇地傳播或反射特定波長的電磁波。鑒于Fabry-Perot諧振器結構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諧振器結構應用在天線系統(tǒng)中，也能明顯提高天線的輻射定向性。

二、Fabry-Perot諧振器結構

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

然而，在實際應用中，可選用的介質板厚度受限于產(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蓋板改換為兩層有空氣間隔而厚度較薄的介質蓋板[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構能夠保證天線的低輪廓，同時當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。該天線結構可以實現(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型縫隙矩形貼片結構（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；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天線結構

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蓋板，上層為介質EBG板，下層為均勻介質板，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)設計

本文的參數(shù)設計和仿真結果是借助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的介質材料，其中上層介質鉆孔的EBG結構中，周期單元呈60°菱形結構排列，周期尺寸，空氣孔半徑r=3.7mm，該結構對14GHz的電磁波具有二維全方向的電磁帶隙[6]，基于此將14GHz定為整個天線結構的中心頻率。

設計天線時首先初步選取U型縫隙貼片饋源結構的各個參數(shù)值，使饋源的諧振頻率略高于14GHz；根據(jù)天線結構諧振頻率的要求，選定dc=5.4mm，hc=9.6mm；再對U型縫隙貼片饋源結構的各個參數(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仿真結果

采用上述參數(shù)設計，對天線性能進行了仿真，結果如下：

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諧振器天線結構實現(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蓋板，能夠在保證天線小型化的基礎上實現(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，“電磁帶隙結構在寬頻帶高增益印刷天線中的應用”，東南大學碩士論文，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PBG結構的研究和應用”，東南大學碩士論文，2003。