寬帶高增益Fabry-Perot諧振腔天線研究.pdf

1、隨著電子設(shè)備的不斷升級(jí)和功能多樣化，現(xiàn)代通信技術(shù)對(duì)天線提出了越來越高的要求。寬帶高增益天線及陣列已成為國內(nèi)外天線研究領(lǐng)域的重要課題之一。Fabry-Perot諧振腔天線是一種基于電磁帶隙結(jié)構(gòu)（Electromagnetic band gap，EBG）的高增益天線。通過在有地輻射單元的正上方適當(dāng)位置放置一個(gè)EBG結(jié)構(gòu)（起部分反射作用），便可形成這類天線結(jié)構(gòu)，其主要優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡單、輻射效率高、無需類似于陣列天線中復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)便可實(shí)現(xiàn)較高增

2、益。但由于諧振腔和EBG結(jié)構(gòu)的窄帶特性，此類天線的阻抗帶寬和增益帶寬較窄，其應(yīng)用范圍受到很大制約。在此背景下，本文主要進(jìn)行了寬帶高增益 Fabry-Perot諧振腔天線的研究，提出了分別利用介質(zhì)板和印刷頻率選擇表面（Frequency selective surface，F(xiàn)SS）構(gòu)造EBG結(jié)構(gòu)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)寬帶高增益Fabry-Perot諧振腔天線的方法，并在此基礎(chǔ)上對(duì)提出的方法進(jìn)行了分析改進(jìn)以增大此類寬帶高增益天線的設(shè)計(jì)自由度。除理論研究外

3、，本文還分別進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究，以驗(yàn)證所提出設(shè)計(jì)方法的可行性和可靠性。論文取得的主要研究成果為：
　　1.借助于射線追蹤模型對(duì)Fabry-Perot諧振腔天線的工作原理進(jìn)行了分析，并簡要推導(dǎo)了其各項(xiàng)性能參數(shù)；研究了天線尺寸及部分反射覆層（EBG結(jié)構(gòu)）的電磁特性對(duì)天線性能的影響；選取并設(shè)計(jì)了縫隙耦合饋電的微帶天線作為諧振腔天線的饋源，在微帶天線的耦合貼片和地板間加入空氣層，以抑制表面波的產(chǎn)生進(jìn)而減小微帶天線的表面波對(duì)諧振腔天線性能

4、的影響。
　　2.將傳輸線理論和阻抗圓圖引入到 Fabry-Perot諧振腔天線的部分反射覆層結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計(jì)中，取代了以往采用的全波分析法通過電磁仿真計(jì)算周期結(jié)構(gòu)的方式。通過建立并分析部分反射覆層結(jié)構(gòu)的等效電路模型，簡化了此類諧振腔天線的設(shè)計(jì)過程，同時(shí)也使其工作原理更加便于理解。
　　3.推導(dǎo)了Fabry-Perot諧振腔天線的寬帶諧振條件，提出了通過在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上加蓋1/2介質(zhì)波長厚度介質(zhì)層的方法來近似滿足這一條件，并設(shè)

5、計(jì)了一種寬帶高增益Fabry-Perot諧振腔天線；建立和分析了天線的部分反射覆層的等效模型并研究了天線的各項(xiàng)特性參數(shù)，使所提出的設(shè)計(jì)方法得以簡明和概括。最終結(jié)果顯示所提出的方法能將基于介質(zhì)覆層的Fabry-Perot諧振腔天線的帶寬提高近一倍。
　　4.研究了利用低電厚度介質(zhì)板設(shè)計(jì)寬帶高增益 Fabry-Perot諧振腔天線的方法。傳統(tǒng)的此類天線設(shè)計(jì)中所使用的1/4介質(zhì)波長厚度的介質(zhì)板在實(shí)際應(yīng)用中不易得到，這增大了此類天線的應(yīng)用

6、成本和實(shí)現(xiàn)難度。針對(duì)此問題，本文提出了利用雙層異性介質(zhì)板構(gòu)造部分反射覆層進(jìn)而實(shí)現(xiàn)寬帶高增益Fabry-Perot諧振腔天線的方法，隨后通過改進(jìn)最終實(shí)現(xiàn)了使用低電厚度異性或同性介質(zhì)板設(shè)計(jì)此類寬帶高增益諧振腔天線，這極大的降低了該類天線的應(yīng)用成本且增大了其設(shè)計(jì)自由度。
　　5.提出了使用PCB印刷的周期FSS結(jié)構(gòu)替代介質(zhì)板構(gòu)造部分反射覆層的方法，并將這種覆層應(yīng)用于寬帶高增益Fabry-Perot諧振腔天線的設(shè)計(jì)中。部分反射覆層的設(shè)計(jì)受

7、介質(zhì)板的介電常數(shù)和電厚度的嚴(yán)重制約，為了擺脫這一制約，提出了使用PCB印刷雙層互補(bǔ)FSS結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)寬帶高增益Fabry-Perot諧振腔天線的方法。通過建立和分析這種部分反射覆層的等效電路模型，使這種結(jié)構(gòu)的工作原理和設(shè)計(jì)方法得以明確和簡化，便于此類寬帶高增益Fabry-Perot諧振腔天線的設(shè)計(jì)及應(yīng)用推廣；此外，研究結(jié)果顯示，與現(xiàn)有方法相比，所提出的方法對(duì)此類天線的帶寬擴(kuò)展更為有效。
　　總而言之，本文研究工作的主要目標(biāo)為提出并改進(jìn)