Fabry-Perot谐振腔天线原理

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1、Fabry-Perot谐振腔天线原理Fabry-Perot谐振腔天线原理随着通信技术的快速发展，电磁环境复杂多变性的增加，通信系统对于作为电礴波收发设备的天线提出了各种各样的技术要求。在远距离发信系统中,一股要求天线具有较高的增益与较强的方向性。因此，如何有效地提高无线增益.增强其方向性成为了天线设计中的一个重要课题。印刷微带天线具有体积小、易加工、易共形、成本低廉、稳定性高及易于批量生产等优点，已经被广泛地应用于民用和军用领域。由于单个微带天线的增益较小，其应用往往受到一定限制.要想使微带火线具有高增益辐射特性，通常是将微带天线组阵，设计微带阵列大线，通过增大天线的辐射口径来获得高增益的特性

2、。然而，要想设计阵列天线，就必须面对其设讦过程中的各个难点，例如，如何降低阵列单元互耦影响.以及阵列天线复杂饿电网络的设讦问题。面对阵列天线的单元互耦影响.设计者主要解决一下三个问题：1、对方向图的港响。单个单元辐射的能量通过耦合到其他单元上,将形成的能量:二次辐射，这会造成单个单元的方向因与单元在阵列中的方向图不同。如设计时不加以考虑，会造成阵列天线的合成方向图具有较大的副趟。2、对天线辐射效率的影响。由于各个单元在阵列中的相对位置各不相同，单元的互耦使各单元的输入阳抗不同，这将使阵列火线出现阻抗失配现象，造成对阵列天线辐射效率的影响。3、对天线极化特性及交叉电平的影响。因为阵列夫线是由多个

3、琅元组成，就需要设计相应的功分网络，使能量均匀的分布在天线口面上。当阵列火线较大，单元较多时，功分网络的设计将十分复杂。要实现微带天线的高增益特性，另一种有效的方法就是采用谐振腔结构。在微带火线前方加载具有部分反射特性的反射板，使其与天线接地板构成一个Fabry-Pcroi谐振腔体，无需复杂的馈电网络就可明显地提高微带天线的增益。当腔体高度满足谐振条件时，电磁波穿透覆层反射板后能同相叠加，从而提高天线方向性，锐化波束宽度。和传统高增益天线相比，Fabry-Pcrol谐振腔天线尺寸远小于传统天线，无需复杂馈电网络，结构简单，并且易于生产加工。Fabry-Perot谐振腔天线也成为近年来的研究热点

4、之一。本章首先研究了传统Fabry-Pei谐振腔火线的基本原理，并以此为基础分析了各种结构参数对大线性能的影响，为Eabry.Perol谐振腔天线的进一步研究设计提供理论基础。 3.2 Fabry-Perot(F-P)谐振腔天线基本原理3.2.1 Fabry-Perot谐振腔原理附出3FabryPer3耐振胶结构示意图如图3.1所示,Eibry-Perol谐振腔由两块平行放置的反射板组成.h为柄层反射板之间的距离,，为介质的相对介电常数.定义两块反射板的反射系数和传输系数分别为疣:和总，其中“土”表示入射波的传播方向(土二方向)，下标1，2分别表示上下两个反射板。根据反射板的电磁特性，和可写成

5、：(3.2.1)p=Re。.r=7e，0.由微波网络理论的散射参数级联关系可知，整个谐振腔结构的反射系数和传输系数分别为：(3.2.2)其中.夕为传播常数，可由卜式确定；(3.2.3)-sin：0illS参数关系可得整个谐振控结构的功率传输系数:it(彳军)”cos+(凡&)(3.2.5)(3.2.6)(3.2.7)(3.2.8)其中；中=2#s-弁；.假定整个结构无耗，由能量守恒定律可知；(R；号(R)吟(W、i，如果反射板是各向同性的,则有：T_1，丁、_*7o7nn1将式C3.2.7)带入式(324)中可得：q亭一.)7128&cos+(号)由于上下两层反射板的结构相同，两层反射板镜像对

6、称放置，则有.R；=R；=R，rj=r;=ra将其帝人式(3.2.&),可得到士(3.2.9)k/汇j/21-2/e2cosO+/C4当C8=1时，功率传输系数可取得最大值，此时的谐振腔处于谐振状态.因此,漕振腔的谐振条件为：=2儿$-制一%=2。笈，(3.2.1()此时.谐振腔的功率传输系数的最大值为：/隼;上7=1-811)0-夕)由以上分析可知，Fabry-Perot谐振腔处于谐振状态时，对特定频率的入射波是全透射的。因此，Faby-Pcroi谐振腔可以看做是窄带带通的空间滤波器，这里定义谐振腔的Q值为；NF(3.2.12)其中，人为谐振频率-A/%为半功率传输对应的带宽。一般情况下.反

7、射假反射系数的模值越大，半功率带宽就越窄,其构成的谐振腔的。值也就越大。当谐振腔处于谐振状态时，入射波在其两个反射板间经过多次反射后可以同相叠加，进而在谐振腔的外侧得到增强，形成几乎没有任何反射的全透射传播。3.2.2 Eabry-Pcrol谐振腔火线工作原理研Eabry-Peroi渐振腔对于特定频率的光波可以进行选择性地传播或反射，因此其在光学领域得到了广泛地应用，如干涉滤波器、激光谐振腔及光谱分析仪等光学器件。将谐振腔结构用于提高火线增益时，需将初级馈源安置于谐振腔的内部.当满足谐振条件时，由初级潮源产生的电碟波将在两层反射板之间经过多次反射后在每块反射板的外侧表而同相叠加，形成双向的高增

8、拉辐射。然而,在大线的应用中，大多要求火线具有单向辐射的辐射野性，因此，设计谐振腔天线时需要对谐振腔结构进行适当的改进。图32 Fabry-Perm谐振腔天线等效模型要想使Fabry-Pcroi谐振腔大线具有单向辐射的能力，在不改变一侧反射板上相位分布的条件下，只需将另一侧的反射板用具有全反射功能的理想金属表而代替。此时，腔体内的电磁波将全反射到另一侧反射板上,实现谐振腔天线的单向辐射特性。图3.2给出改进后的谐振腔天线等效模型，腔体高度为肌将馈源放置于谐振腔中部靠近金属表面(接地板)的位置,由馈源发射的电磁波以。的角度入射到上层反射板，其中一部分电礴波经上层反射板的反射回到谐振腔内，其余部分

9、则穿透反射板向腔体外辐射。被反射的电礴波经过金属地板的全反射重新以夕的角度入射到上层反射板，形成二次透射和反射。天线辐射的电磁波在上层反射板和接地板之间经过多次上述的透射和反射后，历次透射的电磁波在反射1反外侧同相叠加，全部透射出去，从而显著提高天线的增益和方向性。若初级循源所在而为接地板,假设上层反射板的反射系数和透射系数分别为,=3,川叫这里将由初级馈源辐射并直接穿透上层反射板的电磁波的传输系数表示为；ru=/,(3.2.13)则经历第一次反射的电磁波传输系数可表示为；-2 /AA /JbA-Un(3.2.14)其中，内是接地板的反射相位,是电磁波在自由空间的传播常数，幺为电磁波在自由空间

10、的波长。则经历口次反射的透射波的传输系数可表示为，(3215)可以得到向e方向传播的透射波的总传输系数:0000，=fS=：“O 。17(3216)由能量守恒定律可知，r=i-/?2o可得功率传输系数为:(3217).R，1f=KJKfiK/Pai.a.r.1-2Acos十K其中:(3218)由式(3217)和(3218)可知,当cosUT时，功率传输系数可取得最大值:JRlR,、D=r=,(3219)1-2R+R-1+A若此时谐振腔的最大辐射方向为夕=(r,可知读谐振腔的谐振条件为；h=(A-1-,)+/i,h=0,1,2.(3.2.20)4小也匕，2由式(3.2.19)可知，谐振腔天线的功

11、率传输系数与上层反射板的反射系数有关，上层反射板的反射系数越大，功率传输系数越大，天线的增益就越高。理论上传输功率系数可以无限大,但是设计过程中，往往要考虑实际应用中的可行性。因此，为获得具有较高增益的辐射特性，要合理的设计谐振腔天线的上层反射板，以获得最佳的辐射特性。 3.3 统Fabry-Perot谐振腔天线的研究传统Fabry-Peroi谐振腔天线的上层反射板通常采用具有较高反射率的频率选择表面，火线的下层反射板则京用理想的金属地板,其反射相位为了。为了使谐振腔内的电磁波经过多次反射后可以在上层反射板外层同相叠加，由式C3.2.20)可知，谐振腔的最低高度接近于工作频率波长的二分之一.本

12、节主要对传统Fabry-Pcwi谐振腔天线进行研究分析。33FSS反射板的电礴特性分析Eabry-Pcrol谐振腔火线的上层反射板通常使用金属FSS、介质盖板或者具有金属印刷单元的FSS等结构。合理选择、设计上层反射板的结构，就可实现谐振腔天线的高增益特性。本节选择印刷金属单元的FSS作为天线的反射板,研究分析传统FabryPcrs谐振腔天线的设计方法，为后续的研究设计提供理论基础。图3.3单层十字形孔径F5s结构示意图FSS可分为孔径型和贴片型两种类型。孔径型FSS在谐振状态下呈全透射特性，贴片型FSS在谐振状态下呈现全反射特性。这里选择卜字形孔径型FSS作为谐振腔火线的反射板，其单元结构与

13、排列方式如图3.3所示.其中L为单元周期，I为介质厚度，a为十次缝长度，b为卜字缝宽度，介质的相对介电常数为265。由式（3219）可知，为了使谐振腔天线获得较高的辐射特性，火线的上层反射板应具有较高的反射系数模值。因此，设计中孔径型的工作频率应适当偏离谐振腔天线的漕振频率。本节设计FSS的单元结构参数为“L=6mm,a=5.4mm.b=1.6巾m.FSS单元对称排列。下面将基于上述FSS的单元结构尺寸，分析各单兀结构参数对FSS散射特性的影响。对FSS单元散射特性的分析均采用AnsofiHFSS商用软件。1 .不同的单元尺寸对FSS散射特性的影响FSS的单元尺寸包括单元的周期和卜字整孔径的结

14、构参数，二者都是影响FSS散射特性的重要参数。在设计Fabry.Pcroi游振腔火线时，必须合理的选择单元尺寸才能获得所需的FSS散射特性.以使谐振腔天线的设计达到预期效果。34给出了不同单元周期对应的FSS反射系数变化曲线。由国可知，当单元周期变大时，FSS反射系数的幅度和相位会随之变大,并且变化幅度较大。图36和图3.6给出了不同十字缝孔径尺寸对应的FSS反射系数的变化曲线。可以看出,当十字缝长度增加时,FSS反射系数的幅度和相位数之逐渐减小;当卜字缝宽度增加时，FSS反射系数的帕度和相位随之减小。卜字缝孔径长度和宽度的增加均相当于增大了单元的孔径大小，可以说明，隙着单元孔径的增大，FSS

15、反射系数的幅度和相位均将随之减小.50-|11 167 B 9101112-(CMf)0处-*-门6*5-1_._1_._679FrwjuMvev (GCf(a)反射系数相位Cb)反射系数幡度图3.4不同单元周期对FSS反射系数的影晌(a)反射系数相位(b)反射系数幅度图3.5不何十字筵孔卷长度对单层FS5反射系数的影响75ro6soo55s61 II 4 11 11(82s3 4 0 8三二89101112(a)反射系数相位(b)反豺系数幅度图3.6不何十字健孔径宽度对单值FSS反射系数的影响由前面的分析可知，单元周期和十字缝孔径的尺寸对FSS散射特性的影响校为明显，设计谐振腔天线所需的FS

16、S反射板时要重点调节这两个结构参数，以获得预期的散射特性。分析单-元尺寸的变化时FSS散射特性的影响时可以发现.单兀周期和卜学缝孔径大小时散射特性的影响呈现相反的规律.这是因为这两个结构参数对单个FSS单元在结构上呈现的是互补的作用。因此.在对单元散射特性有特定要求的情况下.单兀的结构参数可以有多种不同的选择，从而避免选择对加工误差要求较高的结构参数尺寸.因为ISS将作为请振腔天线的上层反射板使用，为了进一步分析该FSS的电磁特性，这里将其镜像对称排列，以分析其传输参数，两层FSS之间的距离为h=15iikinoOn八a.ffi9 E*SS-UJSUEL& r 8LL=L=三-50Ijj,fr

17、789101112Frequency(GHz)图3.7不同单元周期对双层FSS传输系数的影响图3J给出了不同单元周期对应的双层FSS传输系数曲线。从图中可以看出,随着单元周期的增加，双层FS3的传输通带逐渐向高频端增加.并且传输通带的带宽逐渐减小。图3.8不同十字缝孔径长度对双层FSS传轴系数的影响On 2030 (mp)UJOjSS-EgEUb=1.4016b=1.8*4w-1*i11i1ii8789101112Frequecny(GHz)图3.9不同十字缝孔径宽度刻双层FSS传输系数的影响图3.8和图32给出了不同十字缝孔径长度和宽度对应的双层FSS传输系数曲线。从图中可以看出，随着卜字缝

18、孔径长度和宽度的增加，双层FSS的传输通带向低频端略有偏移,传输通带的带宽略微增加。分析可知，双层FSS传输系数的变化与单元结构参数的变化息息相关。单元周期增大时，单层FS5的反射系数幅度将增大，根据Fabry-PeRN谐振腔理论，在偏离谐振频率时，腔体内波的非同相里加效果增强，将导致双层F35传输参数的通带带宽减小：另一方面，单层F3S的反射相位随单元周期的增大而超前，电磁波需要经历更长的路径时延来获得多次反射后的同相叠加效果，对于腔体高度确定的谐振强来说，谐振波长必须减小.传输通带的中心频率向高频端移动。2 .不同介质厚度对FSS散射特性的影响0 1 - - - y - 一匕 85x&58

19、 3 。0.。0.w$s在实际工程的加工和应用中，频率选择表面的金属单元要刷在具有一定厚度的介质材料上，为确保谐振腔的反射板具有一定的刚性，设计FSS时需要分析不同加载介质厚度对FSS散射特性的影响o图3.10不同介质双度对FSS反射系数的影响On11-*-1=1.51=2Frequency (GHz)图3.11不同介质厚度对双片FSS传输系数的影响图3.10给出了不同介质厚度对单层FSS散射特性的影响。可以看出，当加载介质的厚度增大时，单层FSS的反射系数略有较小，而反射相位可以认为基本保持不变。国3.11给出了介质厚度对双层FSW传输系数的影响.可以看出传输通带中心频率基本保持稳定，而通带

20、带宽略有增加。3 .不同腔体高度对双层1由$传输特性的影响当FSS的结构参数经过优化设计确定后，谐振腔天线工作频率则完全由谐振腔的高度决定。-40-1r| | 116789101112Frequency (GHz)图3.12不同腔体高度对双层FSN传输特性的影响图3.12给出了与不同腔体高度对应的对称双层FSS谐振腔的传输系数曲线。当腔体高度逐渐增大时，谐振腔的谐振频率逐渐向低频端移动.结合式（3.2.20）可知.当FSS的反射相位确定后，谐振腔的谐振频率将与腔体的高度成反比。同时，当腔体高度增加，谐振频率向低频偏移时，传输通带的带宽逐渐减小，这是因为单层FSS反射板反射系数的幅度随频率的减小

21、而逐渐增大造成的。在不同的腔体育度情况下，腔体内发生谐振的电磁波均通过告自的谐振路径完全补偿由FSS所产生的反射相移，从而形成不同的谐振频率。在工作频率固定的情况下，考虑到FSS反射板反射相移对单元结构参数的不敏感性，传统的Fabry-Perol谐振腔天线无法大尺度的降低漕振腔的腔体高度。4 3.2传统Fabry-Per”谐振腔天线的设计传统的Fabry-Perot谐振腔天线是在微带天线前方加载具有部分反射特性的反射板,使其与天线接地板构成一个Fabry-Pcroti皆振腔体，以实现提高天线增蕊的效果.合理选择FSS单兀的结构参数，计算出满足处于工作频率状态时腔体的高度，即可实现普通谐振腔天线

22、的设计。图313给出所设计的传统FabryPcroi谐振腔天线的结构示意图。谐振腔的上反射板采用上文分析的ESS结构，单无周期为L=6mrn,卜字缝孔径尺寸为a=5.4mm、b=1.6mm,介质加载的相对介电常数为2.65,摩度为1.5mm。下层反射板采用金属地板，介质加载的相对介电常数和厚度与上层反射板相同。在下层反射板的中央放置微帝贴片天线，采用同轴探针进行馈电，作为渐振腔天线的初级微源。天线的工作频率为9GHz。由前文的分析可知，FSS在9GH之处反射系数的反射相位为162。，而金属地板的反射相位为ISO8,从而可由公式（3.20）计算出谐振腔的高度h=L43mmaFSS反射系数的幅度为

23、0.94,较高的反射率可以保证谐振腔天线具有较高的增益。图3.13传统Fabry-Peroi谐振胶天线结构示意图图3.14和-3.15分别给出了不加载FSS反射板的天线和加载FSS反射板后Fabry-Perol谐振腔天线的辐射方向图。由因可知，普通贴片天线的增益为6.2dB,波束宽度较宽，E面半功率波源宽度为107,H面半功率波解宽度为96。加载FSS反射板设计成谐振腔天线后，大线增益明显增大，方向性增强.增益可以提高到lS.4dB,E而半功率波海宽度为19,H而半功率波器宽度为21可以看出,该谐振腔火线可以显著地提高天线增益，实现波束汇聚的功能.E面(b)H面图314不加我FSS反射板时天线

24、的方向图(a)E而方向图(b)H面方向图图3.15心统Fabry-Perot请振腔天线的方向图作为口任类无线，Fabry-Pcroi谐振腔大线的独特之处在于其整个口径上的能量是通过腔体内部电磁波的密次反射.并在上层反射板外层同相强加后获得的.结合构成谐振腔的反射板的电磁特性可知，每当腔体内部的电磁波在上层反射板处发生反射时，就会有一部分漏射出去，因此，腔体内部的电磁波在由腔体中心向边缘的传播过程的过程中将经历多次反射。在这个过程中，电磁波的能量会逐渐衰减。当Fabry-Perui渐振腔天线的上下反射板结构和尺寸确定时，该衰减仅与腔体的口径而尺寸有关。因此.需要研究腔体口径尺寸对天线辐射性能的影

25、响。实验中使用Wiltram37269A矢量网络分析仪测量了低剖面谐振腔天线的反射系数。图31X给出了无人工材料覆层时大缱的反射系数和谐振腔天线的反射系数。从图中可以看出,加载F33后,天线的谐振频率由9.16GHz降低到9.02GHz.反射系数10dB的带宽由0.53GH2(8.89-9.42GHz)变为0.39GHz(8.73912GHz)。图3.1 8传统Fabry-Pemi谐振腔大戏的反射系数使用远场测量方法对该谐娠腔振线进行测试。图3.19给出了天线在9GHz工作频率处的E面(XOZ而)和H面(YOZ面)仿真与实测方向图。实测谐振腔火线E面的半功率波瓣宽度为22。，H面的半功率波霸宽度为20。从图中可以看出，E面方向图行略微的不对称现象，H面方向图对称性好于E而，这是因为微带火线的馈电点并不在贴片天线正中，而是向x方向有偏移。图320给出了该谐振腔天线的实测增益图，实验获得的增益最大值为181dB。(a)E面方向图(b)II面方向图18-16mp) CaoFrequency(GHz)图320性统Fabry-Perol谐振腔天线的增益欢迎阅读！