一款雙頻雙寬帶雙圓極化Fabry-Perot 諧振腔天線

呂 軍，鐘選明

（1.國能包神鐵路有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.成都交大運(yùn)達(dá)電氣有限公司，四川 成都 610000）

0 引 言

隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，空天地海一體化通信系統(tǒng)已經(jīng)成為未來通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢，衛(wèi)星通信具有覆蓋范圍廣、不受地理?xiàng)l件限制等優(yōu)點(diǎn)，其作為天基通信的重要組成部分和未來6G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的重要方向，已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)[1]。天線作為衛(wèi)星通信系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部件之一，要求具有寬帶寬、高增益、圓極化和結(jié)構(gòu)簡單、易于集成等特性。由于法布里-珀羅（Fabry Perot, FP）諧振腔天線具有增益高、饋電簡單的特性，自從其誕生以來便受到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[2]。

FP 天線具有饋電結(jié)構(gòu)簡單、增益高的優(yōu)點(diǎn)，近年來學(xué)術(shù)界對于FP 天線的雙頻段工作、寬帶性能以及如何實(shí)現(xiàn)圓極化輻射做了大量研究工作，其在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中有良好的應(yīng)用潛力。對于FP 天線的雙頻工作特性[3-5]，可采用頻率選擇表面（Frequency Selective Surface, FSS）或者電磁帶隙（Electromagnetic Band Gap,EBG）結(jié)構(gòu)等電磁超材料作為部分反射表面（Partially Reflective Surface, PRS），針對兩個頻段構(gòu)成兩個獨(dú)立的諧振腔，以此實(shí)現(xiàn)FP 天線的雙頻工作，但這類方法需要雙層諧振腔結(jié)構(gòu)，因此結(jié)構(gòu)復(fù)雜且剖面較高。對于FP 天線的寬帶工作特性[6-8]，一方面，具有正相位梯度的PRS 能在寬帶內(nèi)滿足諧振條件以拓展其增益帶寬，有學(xué)者通過設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu)的PRS 或者構(gòu)造具有空氣間隙的諧振腔以獲得反射電磁波的正相位梯度，但這類方法往往難以拓展為雙頻工作；另一方面，由于饋源輻射的電磁波到達(dá)諧振腔上表面的距離不同引起了空間相位差，有學(xué)者提出采用漸變的PRS 對空間相位進(jìn)行補(bǔ)償，使透射電磁波總處于同相疊加狀態(tài)，以此展寬其增益帶寬和提高增益。

對于FP 天線的圓極化輻射性能[9-11]，可采用具有極化轉(zhuǎn)換特性的PRS 將線極化饋源轉(zhuǎn)換為圓極化輻射，或直接采用圓極化輻射饋源，但這類方法難以實(shí)現(xiàn)寬帶的圓極化輻射效果。以上方法在FP 天線的雙頻、寬帶、圓極化以及易于集成等方面做出了拓展，但如何利用簡單的單層諧振腔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)FP 天線雙頻雙寬帶的圓極化輻射性能，仍然面臨較大的挑戰(zhàn)。

為此，本文設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)簡單的雙頻雙寬帶雙圓極化FP 天線。具體地，通過加載寄生貼片和縫隙耦合饋電的方式設(shè)計(jì)了寬帶圓極化饋源；設(shè)計(jì)了一種具有雙頻正相位梯度的單層結(jié)構(gòu)PRS，以展寬FP 天線帶寬；設(shè)計(jì)了能夠提供特定相位的人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)（Artificial Magnetic Conductor, AMC）替代傳統(tǒng)的金屬地板，在同一諧振腔高度下滿足了雙頻段的諧振條件。全波仿真結(jié)果表明，所提出的FP 天線在兩個工作頻段上的3 dB 軸比帶寬分別為10.1%和13.8%，峰值增益達(dá)到了12.45 dBi和11.9 dBi，且3 dB 增益帶寬分別為11.5%和14.8%。

1 FP 天線原理介紹

傳統(tǒng)的法布里-珀羅諧振腔天線的結(jié)構(gòu)主要由饋源、部分反射表面和反射地板三部分組成。FP 天線饋源輻射的電磁波在諧振腔中不斷反射，當(dāng)腔體高度滿足諧振條件時，透射出部分反射表面的電磁波同相疊加，通過銳化波束寬度的形式提高天線方向性。設(shè)FP 天線部分反射表面反射的電磁波相位為ΦPRS，地板反射的電磁波相位為ΦGND，諧振腔的高度為h，電磁波的波長為λ，則FP 天線的諧振條件可以表示為：

從式（1）可以看出，當(dāng)電磁波經(jīng)過諧振腔后的反射相位與空間相位滿足一定條件時，透射出的電磁波通過同相疊加以提升方向性，相比于傳統(tǒng)的陣列天線，F(xiàn)P 天線無需復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)即可實(shí)現(xiàn)高增益，且結(jié)構(gòu)簡單易于加工生產(chǎn)。由式（1）可知，影響諧振腔剖面高度的因素包括天線工作頻率、PRS 的反射相位以及地板的反射相位，傳統(tǒng)的FP 天線采用金屬作為反射地板，因此天線剖面高度通常為0.5λ。電磁超材料作為新興的電磁結(jié)構(gòu)，具有自然材料所不具備的電磁特性，采用人工磁導(dǎo)體等電磁超材料替代金屬作為反射地板，利用其對電磁波反射相位的調(diào)控特性可有效降低天線整體剖面。式（1）所示的諧振條件是針對特定頻點(diǎn)的，隨著天線工作頻率的升高其波長逐漸變小，因此若要在寬頻帶下滿足該諧振條件，需要電磁波經(jīng)過諧振腔的反射后呈現(xiàn)隨頻率升高的正相位梯度。綜上，在設(shè)計(jì)FP 天線時，需要合理設(shè)計(jì)PRS 和反射地板才能獲得好的輻射性能以及較低的天線剖面。

2 天線設(shè)計(jì)及分析

2.1 PRS 單元設(shè)計(jì)及分析

傳統(tǒng)的FP 天線受限于其工作原理，增益帶寬有限，為解決這一問題，西北工業(yè)大學(xué)的學(xué)者提出了具有正相位梯度的PRS 單元[6]?；谠摴ぷ?，本文提出了具有雙頻段正相位梯度的PRS 單元，如圖1 所示，黑色部分代表金屬，灰色部分代表介質(zhì)基板，其材料為Rogers5880。該結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)雙頻段的部分反射特性和正相位梯度特性，根據(jù)式（1）可知，PRS 結(jié)構(gòu)的正相位梯度可以彌補(bǔ)電磁波頻率升高帶來的空間相位變化，因此該結(jié)構(gòu)能在兩個頻段上有效擴(kuò)寬FP 天線的增益帶寬。

圖1 PRS 結(jié)構(gòu)示意圖

經(jīng)過優(yōu)化，PRS 單元的尺寸參數(shù)分別為R1=5.8 mm，R2=5.5 mm，R3=6.2 mm，D1=8 mm，H1=0.787 mm。其反射幅度及相位如圖2所示，其全波仿真結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)在10.53～12.02 GHz 和14.16～16.11 GHz 兩個頻段均能提供正相位梯度，以拓展FP 天線的增益帶寬，并且其反射幅度在兩個頻段上分別達(dá)到0.6和0.4以上，根據(jù)FP天線的工作原理，該結(jié)構(gòu)能夠有效提高天線的方向性。

圖2 PRS 反射幅度及反射相位

2.2 饋源設(shè)計(jì)及分析

FP 天線常采用耦合饋電的微帶貼片天線作為饋源，但是傳統(tǒng)的貼片天線帶寬較窄，為了滿足衛(wèi)星通信寬帶圓極化的要求做出了一些改進(jìn)設(shè)計(jì)。如圖3 所示，饋源天線采用Rogers5880 作為介質(zhì)基板材料，共由三層介質(zhì)基板構(gòu)成。饋源天線在地板上開有交叉“工”字形縫隙，通過微帶線進(jìn)行耦合饋電，實(shí)現(xiàn)了圓極化輻射；在微帶貼片的上層加載寄生貼片，有效拓寬了天線的阻抗帶寬。

圖3 饋源天線結(jié)構(gòu)示意圖

該結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)寬帶圓極化輻射，為了滿足雙頻雙寬帶雙圓極化輻射饋源的設(shè)計(jì)要求，采用雙饋源天線作為FP 天線的輻射饋源。經(jīng)過優(yōu)化，采用縫隙耦合饋電的饋源天線的尺寸參數(shù)如表1 所示，其回波損耗和軸比如圖4所示。從圖中可以看出，在兩個頻段上饋源天線的3 dB軸比帶寬分別為10.2～12.4 GHz和13.5～16.6 GHz，其-10 dB阻抗帶寬分別為9.6～11.9 GHz和12.7～15.7 GHz，具有良好的阻抗匹配性能和圓極化輻射性能，滿足FP 天線饋源的設(shè)計(jì)要求。

表1 饋源天線優(yōu)化后尺寸參數(shù)mm

圖4 饋源天線反射系數(shù)及軸比

2.3 反射地板設(shè)計(jì)及分析

人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)（AMC）具有特殊的電磁特性，學(xué)者們引入AMC 結(jié)構(gòu)來替代傳統(tǒng)的金屬地板，通過調(diào)整AMC 地板的反射相位，有效降低了FP 天線的剖面高度[12]。本文提出的FP 天線需要在同一高度下滿足兩個頻段的諧振條件，采用金屬地板無法在實(shí)現(xiàn)較低剖面的同時滿足其諧振條件。AMC 結(jié)構(gòu)可以在不同頻段提供特定的反射相位，通過合理設(shè)計(jì)可在滿足雙頻段諧振條件的情況下，有效降低天線剖面高度，實(shí)現(xiàn)單層諧振腔結(jié)構(gòu)的雙頻輻射。

本文所設(shè)計(jì)的AMC 結(jié)構(gòu)如圖5 所示，采用簡單的具有中心對稱性的圓環(huán)結(jié)構(gòu)，既能滿足所設(shè)計(jì)FP 天線的相位要求，又能滿足圓極化輻射的要求。經(jīng)過優(yōu)化，AMC 的尺寸參數(shù)分別為R4=3.4 mm，R5=6.6 mm，D10=8 mm。其反射相位如圖6 所示，根據(jù)式（1）計(jì)算可知，該結(jié)構(gòu)能在同一高度下滿足兩個頻段的諧振條件。具體地，諧振腔高度h為13 mm，僅為0.5λlow。

圖5 AMC 單元結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 AMC 反射相位

3 FP 天線性能分析

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對于FP 天線設(shè)計(jì)，其部分反射表面（PRS）的反射系數(shù)越高、口徑面的尺寸越大，天線的方向性就越好。但是隨著口徑面的增大，一方面，為提高天線方向性所付出的空間成本就越高；另一方面，由于口徑面增大，口徑面邊緣處電磁波傳播的波程差帶來的相位變化會使透射的電磁波相位發(fā)生變化，降低天線的方向性。因此，需要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的可行性和天線的口徑效率來合理的設(shè)計(jì)PRS 以及天線口徑尺寸。

所提出的FP 天線主要由PRS、饋源天線、反射地板三部分構(gòu)成。設(shè)計(jì)的PRS 在兩個頻段上最低的反射幅度分別為0.6 和0.4，由于其對電磁波的反射系數(shù)較低，因此對于天線方向性的提升有限。為解決該問題，如圖7所示，通過在FP 天線四周加載金屬腔的方式實(shí)現(xiàn)了增益提升[13]。

圖7 FP 天線結(jié)構(gòu)示意圖

加載金屬腔后，在低頻段和高頻段天線的峰值增益分別提升了1.35 dB 和1.2 dB，如圖8所示。對于雙頻FP天線，其口徑面相對于高頻段的電尺寸更大，因此高頻段的增益往往更高，但是本文設(shè)計(jì)提出的部分反射表面在高頻處反射幅度較低，因此造成了高頻處增益略低于低頻的情況。

圖8 加載金屬腔前后增益對比

3.2 仿真結(jié)果分析

首先分析所設(shè)計(jì)的FP 天線的反射性能，F(xiàn)P 天線饋源輻射的電磁波在諧振腔內(nèi)不斷反射，通過銳化波束寬度的方式來提高方向性，因此相比傳統(tǒng)的陣列天線具有饋電結(jié)構(gòu)簡單的特性。由于饋源天線只能在單一頻段實(shí)現(xiàn)寬帶圓極化輻射，為了滿足FP 天線雙頻雙寬帶圓極化的要求，采用兩個不同的饋源天線，分別在兩個頻段上實(shí)現(xiàn)不同旋向的圓極化。一方面，雙頻段天線的反射系數(shù)如圖9 所示，在9.6～11.9 GHz 和12.6～15.7 GHz的頻帶范圍內(nèi)FP 天線的反射系數(shù)小于-10 dB，具有良好的阻抗帶寬，有利于實(shí)現(xiàn)FP 天線的寬帶輻射性能；另一方面，天線的隔離度是衡量共口徑天線的重要標(biāo)準(zhǔn)，所設(shè)計(jì)的FP 天線采用不同旋向圓極化的饋源天線，具有極化隔離的優(yōu)點(diǎn)，有利于提升不同頻段間的隔離度。具體地，不同頻段間隔離度如圖9c）所示。下文將提到FP 天線的輻射特性參數(shù)，所設(shè)計(jì)的FP 天線的有效帶寬應(yīng)該考慮其輻射特性，這里選擇FP 天線-10 dB 阻抗帶寬、3 dB 增益帶寬、3 dB 軸比帶寬重合的頻段作為有效帶寬，即10.95～11.9 GHz 和14.2～15.7 GHz，隔離度在該頻段內(nèi)進(jìn)行考察。由圖10 可知，在FP 天線的有效帶寬范圍內(nèi)，低頻隔離度S12低于-15 dB，高頻隔離度S21低于-21 dB，F(xiàn)P 天線具有良好的端口間隔離度。

圖9 FP 天線S 參數(shù)

圖10 FP 天線軸比及增益曲線

然后對FP 天線的輻射性能（軸比及增益）進(jìn)行仿真與分析。一方面，F(xiàn)P 天線采用寬帶圓極化饋源，且所提出天線結(jié)構(gòu)的部分反射表面以及AMC 地板均為中心對稱結(jié)構(gòu)，因而能基于此實(shí)現(xiàn)FP 天線的寬帶圓極化輻射。

如圖10 所示，在10.95～12.12 GHz 和14.2～16.3 GHz的頻帶范圍內(nèi)FP 天線的軸比小于3 dB，具有良好的寬帶圓極化特性，并且通過雙饋源的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了低頻（下行）為右旋圓極化波輻射，高頻（上行）為左旋圓極化波輻射；所提出的FP 天線在低頻和高頻的峰值增益分別為12.45 dBi 和11.9 dBi，相比于饋源天線，峰值增益分別提高了6.45 dB 和4.6 dB，具有較高增益，其口徑效率分別達(dá)到41%和18.3%。另一方面，所提出的部分反射表面能在兩個頻段提供正相位梯度，可有效拓寬FP天線的增益帶寬，全波仿真結(jié)果表明，其3 dB 增益帶寬分別為10.6～11.9 GHz 和13.8～16 GHz，相對帶寬達(dá)到了11.5%和14.8%，具有良好的寬帶圓極化輻射性能。另外，F(xiàn)P 天線的方向圖如圖11 所示，在低頻中心頻率11.4 GHz 處交叉極化電平大于16 dB，在高頻中心頻率15 GHz 處交叉極化電平大于20 dB。

圖11 FP 天線方向圖

最后，將本文提出的天線與現(xiàn)有文獻(xiàn)進(jìn)行了對比，如表2 所示。

表2 天線性能對比表

相比已有文獻(xiàn)，本文基于具有雙頻正相位梯度的部分反射表面提出的FP 天線，在簡單的單層諧振腔結(jié)構(gòu)下實(shí)現(xiàn)了FP 天線的雙頻雙寬帶雙圓極化設(shè)計(jì)，降低天線整體剖面的同時，拓展了天線功能，對衛(wèi)星通信天線的設(shè)計(jì)提供了參考。

4 結(jié) 論

本文研究并設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)簡單的雙頻雙寬帶雙圓極化FP 天線。通過加載寄生貼片和縫隙耦合饋電的方式實(shí)現(xiàn)了寬帶圓極化饋源的設(shè)計(jì)；基于具有雙頻正相位梯度的部分反射表面，在單層諧振腔的結(jié)構(gòu)下實(shí)現(xiàn)了FP 天線的雙頻雙寬帶輻射；采用AMC 結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)的金屬反射地板，在同一諧振腔高度下滿足了雙頻段的諧振條件。本文提出的FP 天線具有雙頻雙寬帶雙圓極化特性和簡單的諧振腔結(jié)構(gòu)，對FP 天線的設(shè)計(jì)具有一定的參考價值。