一種Ku波段多頻高增益天線研究*

李琮琮

(民航安徽空管分局,合肥 231271)

一種Ku波段多頻高增益天線研究*

李琮琮*

(民航安徽空管分局,合肥 231271)

針對傳統平板天線頻帶單一,增益不高,方向性差等缺點,將電磁波的增強透射特性研究應用到天線的設計中,結合類F-P腔原理,設計了一款具有雙頻帶、高增益的波導縫隙天線。天線在中心頻率10.9 GHz和13.7 GHz的增益分別達到了10.8 dB和11.4 dB,并且相對于傳統單縫波導天線,天線在中心頻率點處E面的半波功率波束寬度分別減小了114°和90°。仿真結果和實測結果吻合度較高,尤其頻帶處于在Ku波段,在衛星雷達領域具有很大的應用價值。

天線;透射增強;類F-P腔;雙頻;高增益

近年來,金屬周期性亞波長結構的透射增強現象研究已經得到了愈來愈多的學者們的關注[1-3]。眾所周知,金屬對電磁波具有屏蔽作用,但是Ebbesen等人研究發現光束通過亞波長金屬小孔時,會產生透射增強現象,而且此現象在微波波段同樣產生了類似的特性。Beruete M等人[4-8]將這種特性應用在天線的設計中,天線的輻射性能得到了極大的提升。與此同時,F-P腔諧振原理在多年前已經被證實,Boutayeb H K等人結合了F-P腔結構[9],設計了一款高性能平板天線,驗證了它在微波器件領域中的應用價值。另外,氣象雷達由于需要適應惡劣環境的、長時間保持高效率工作等原因,對雷達天線的要求很高。波導天線因其穩定的性能、緊湊的結構以及便于安裝等優點,被廣泛應用于雷達通信中,多頻段和高效率特性的新型天線能更加良好地匹配各種通訊系統,尤其是在氣象雷達等領域,一款高效率的Ku波段天線的作用更是顯得意義重大。本文在透射增強的理論基礎上,結合了類F-P腔諧振原理,采用波導同軸饋電,設計了一款具有雙頻帶,高增益,窄波束的波導縫隙天線。通過在金屬板內部天添加諧振腔結構,形成LC諧振回路,天線的實現了更好的阻抗匹配,金屬板上的褶皺結構以及外圍的反射覆蓋層結構進一步改善了天線的輻射特性。該天線具有質量輕,成本低,高效率等特點,具有很高的實用價值。

1 天線結構設計

天線的結構如圖1所示,從圖1可以看到天線主體結構是由兩塊金屬板和一個覆蓋板以及一個泡沫板組成,泡沫板的作用是起支撐固定作用,對天線性能不產生任何影響。如圖1(a)所示,輻射孔在上層金屬板的中央。在下層金屬板的中央,設計了一個腔體結構,如圖1(b)所示,金屬板兩邊褶皺結構的寬度和高度是在HFSS中優化。

圖1 天線的結構圖

由于諧振腔的存在,傳統設計褶皺結構的計算公式不再適用本文,對公式進行合理修改后得到一個近似的參數式(1),金屬板溝槽的深度和金屬層的厚度可根據式(1)近似計算得到:

(1)

式中:λ是自由空間的波長。但是仿真結果表明高諧振頻率13.7 GHz處的增益提高的不是很多。為了進一步提高天線在頻率13.7 GHz處的前向增益(FPG),結合F-P腔理論,在天線金屬層上方引入了覆蓋層結構,覆蓋層的相對介電常數εr=9.8,δ=0.001,在實際制作過程中需要在覆蓋層和金屬層之間放置泡沫板來固定支撐,覆蓋層與金屬面的距離為h,這樣就形成了一個類似F-P諧振腔,如圖2所示。

(2)

G=(1+p)/(1-p)

(3)

圖2 F-P腔原理圖

根據F-P諧振腔理論,覆蓋層和天線金屬部分的條件應該滿足式(2)中的關系,這個時候式(3)中的能量密度G才能達到最大,天線的增益也可以有效地提高。φ1和φ2是覆蓋層和地板的反射相位,在天線設計中,金屬面相當于地板作用。通過仿真,覆蓋層在頻率13.7 GHz處反射相位φ1=180°,再根據式(2),可以計算得到h=λ/2。基于以上理論,天線所有的參數在全波電磁分析軟件HFSS 13.0中完成了優化,表1中提供了部分參數的最終優化結果。

表1 天線各尺寸參數 單位:mm

圖3 天線的實物圖

2 參數優化及結果分析

天線的實物圖,如圖3所示。通過矢量網絡分析儀Agilent8722ET(50MHz～40GHz)測量分析了天線在10GHz～15GHz頻率范圍內的回波損耗,結果如圖4所示。

圖4 天線的回波損耗

天線的兩個諧振頻率點分別為10.9GHz和13.7GHz,仿真結果和測試結果吻合度較高,由于加工的誤差以及采用的是波導同軸饋電的原因,實測的時候會有部分能量損失,從而導致回波損耗曲線中頻率的發生小的偏移,整體是在可接受的范圍內,達到的設計的要求。

圖6 天線的E面和H面方向圖

天線通過同軸波導饋電,電磁波從下層金屬板的底部縫隙耦合進入金屬諧振腔,然后通過上層金屬板的輻射縫隙輻射出去。整個傳輸過程中存在兩種諧振模式,形成兩個中心諧振頻率,分別為垂直方向和水平方向的諧振,兩種模式是相互獨立的。垂直方向的諧振主要是由天線金屬部分的高度決定,引入了諧振腔結構后,與傳統平板天線相比較,通過調節金屬板中諧振腔的高度,不僅可以實現更好的阻抗匹配,金屬的高度減少近一半,從圖5(a)可以看出,它對高諧振頻率點的大小有著顯著的影響,當諧振腔的高度e=5.0mm時,天線的性能處于比較好的狀態。另外,對于水平方向的諧振,由圖5(b)可以看出,上層小金屬板的輻射縫隙的長度對于低諧振頻率的影響比較顯著,當b=14.5mm的時候,天線的性能處于最佳的狀態。

圖5 參數對天線中心頻率的影響

天線在中心頻率10.9GHz和13.7GHz處的E面和H面歸一化方向圖如圖6所示。從圖6可以看到,相比較于傳統平板天線,天線的增益和方向性有了很大的提升。圖6(a)和圖6(b)中,可以很清楚地看到天線的增益在10.9GHz處提高了有5.4dB,E面的HPBW減少了114°左右。根據透射增強特性原理,可以理解為在沒有引入覆蓋反射結構時,天線的增益的提高是由于金屬板兩側的對稱褶皺結構的作用,當電磁波從輻射縫隙單元輻射出來的時候,電磁波沿著金屬表面有著橫向的傳播,傳播到溝槽部分時,發生了諧振,形成二次輻射元,并且與主源在遠場處形成類似相干疊加的效應,從而大大提高了天線的輻射特性。另外,引入反射覆蓋層結構對該振頻率10.9GHz的增益沒有直接影響,但是該諧振頻率處E面和H面的波束寬度得到了進一步的優化,天線的方向性得到提高。

圖6(c)和圖6(d)中天線在頻率13.7GHz處的增益調高了近4.8dB,E面的HPBW減少了90°,H面的波束寬度也得到了一定優化。反射覆蓋層結構對該頻率處的輻射方向性影響特別大,可以解釋為金屬和反射板之間形成了類似于F-P腔的結構,設計過程中,式(2)中的f是13.7GHz,根據F-P腔原理,該結構在頻率13.7GHz產生了諧振,此時對該頻率處的輻射特性提升會非常顯著,實驗結果也驗證了這個結論。

3 結束語

通過引入金屬褶皺結構和反射板結構以及諧振腔結構,設計了一款具有雙頻帶、高增益以及窄波束特性的波導縫隙天線,內嵌諧振腔結構的存在,天線實現了更好地阻抗匹配,同時電磁波在諧振腔和輻射縫隙單元傳輸中的橫向和縱向諧振產生了雙頻特性。仿真和實測結果吻合度較高,證明了此天線的良好輻射特性,在雷達等通訊系統中有著廣泛的應用前景。

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TheResearchofaMulti-BandHighGainAntennainKuband*

LICongcong*

(Anhui Branch of Civil Aviation Air Traffic Control,Hefei 231271,China)

For the disadvantages of traditional flat antenna,such as single frequency band,low gain and poor directivity,the enhanced transmission characteristic of electromagnetic wave is applied to the field of antenna,based on the theory of similar F-P resonant cavity,a novel dual-band and high gain waveguide slot antenna has been designed. The gain of the proposed antenna has reached almost 10.8 dB at 10.9 GHz and 11.4 dB at 13.7 GHz,respectively. Compared with the conventional one,the narrowed half-power beam width with of E-plane reduced 114 degrees at 10.8 GHz and 90 degrees at 13.7 GHz. The simulated result shows a good agreement with measured one,especially the frequency band belongs to Ku band,which means that the proposed antenna has a satisfied application value in satellite and radar field.

antenna;enhanced transmission;similar F-P cavity;dual-band;high gain

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.06.007

項目來源:民航專項資金項目(kj1405)

2016-11-10修改日期2017-01-05

TN822.6

A

1005-9490(2017)06-1364-04

李琮琮(1966-),女,漢族,安徽合肥人,本科。就職于民航安徽空管分局,氣象雷達工程師,研究方向為航空氣象技術裝備,394406304@qq.com。