叶文熙+李正军

摘 要： 电磁带隙（EBG）天线是一种可以提高天线辐射口径及增益的新型天线，以FSS作为EBG反射面，角锥喇叭作为辐射源，设计了一种可以工作在29.7～30.2 GHz，最大增益为23 dB的EBG天线，并对7个喇叭阵列进行了仿真分析，证明了该种EBG天线具有良好的工作性能，可以作为小型化单口径反射面多波束天线的辐射源，用于减小通信卫星的重量。

关键词： EBG； 角锥喇叭； 高增益天线； 天线阵列

中图分类号： TN82?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）07?0076?03

Design of high?gain EBG array antenna working in Ka band

YE Wen?xi， LI Zheng?jun

（Xian Branch， Chinese Academy of Space Technology， Xian 710100， China）

Abstract： Electromagnetic bandgap （EBG） antenna is a new antenna which can improve its radiation aperture and gain. A EBG antenna with FSS as its reflecting surface and pyramidal horn as its radiation source was designed. It can work in 29.7～30.2 GHz and its maximum gain is 23 dB. Simulation analysis of seven horn arrays was performed. The result proves that the EBG antenna has perfect working performance. The antenna can be used as the radiation source of multi?beam antenna with miniaturization single?aperture reflecting surface to reduce the weight of communication satellite.

Keywords： EBG； pyramidal horn； high?gain antenna； antenna array

0 引 言

随着卫星通信的容量和传输速率的不断提高，多波束天线由于能够以高增益来覆盖较大的地面区域，而且又能根据需要调整波束形状，因而受到了各国的广泛重视。反射面多波束天线是目前国内外采用较多的天线，其中单口径单馈源天线系统最为简单，但是传统口径天线的有效辐射口径通常小于物理口径，因此多波束馈源中，天线单元的增益和最小间距成正比关系，而在实际应用中常常需要较大的单元增益和较小的单元间距，以提高波束覆盖的边缘增益，因此利用传统馈源阵来组成单口径单馈源多波束系统，天线性能较差[1]。所以，本文的主要任务是设计一种小口径、高增益的辐射源用以改善传统的单口径单馈源多波束系统。

电磁带隙（Electromagnetic Band?gap ，EBG）天线首先由Cheype C等人于2002年提出[2]。它是一种可以提高天线辐射口径及增益的新型天线，天线由全反射板和与之平行的部分反射表面组成，辐射源可以是各种形式的小口径天线。

其中，EBG反射板有两个重要作用[3]：一是EBG结构可以禁止某些频带内电磁波的传播，从而可以有效地抑制表面波，提高天线的辐射性能；二是可以起到一种引导电磁波传播的作用，EBG结构引入缺陷模式后，破坏了原来的周期性，这时电磁带隙中会出现很窄的频率窗，引导频率在频率窗范围里的电磁波继续传播，从而显著地提高天线的增益。而对于EBG天线的辐射源，近年来国内外对微带天线的研究比较多，而对于喇叭天线的应用比较少。与微带天线相比，用喇叭天线作为EBG天线的辐射源具有更低的副瓣和更高的发射功率。因此本文利用电磁带隙结构的特性，设计了一种通过标准波导馈电，在喇叭天线的上方加载EBG结构反射板，使得天线增益达到23 dB，且工作在29.7～30.2 GHz的EBG天线，并研究了其阵列特性。

1 辐射源的设计

EBG天线的设计，对辐射源的选择和设计是很重要的。本文中选取角锥喇叭作为辐射源，通过标准波导BJ?260馈电。喇叭的口径大小为[0.87λ0×0.87λ0][（λ0]为空气中的波长），为了使喇叭与EBG反射板之间的阻抗匹配，在喇叭口径处添加了厚度为0.4 mm的膜片，膜片结构如图1所示，在仿真时，在谐振点处，喇叭加上膜片的反射系数应与喇叭加上EBG反射板时的反射系数共轭匹配。

图1 膜片结构与尺寸

2 EBG反射板的设计

由于反射板与接地板间形成FP谐振腔，因此谐振腔的[Q]值影响了EBG天线的增益和带宽，文献[4]指出随着[Q]值的变大，天线的增益也随着变大，相反的是，天线的带宽随之变小，因此设计合适的EBG反射板是十分必要的。EBG反射板的形式有很多种，在天线设计中应用比较多的是金属网格结构、介质板结构和FSS结构，在本文中根据实际应用的角度选择用FSS作为EBG反射板。FSS结构采用在厚度是[λg4]（[λg]为介质中的波长）、介电常数为4.4的介质板上印刷尺寸为[3.4 mm×3.4 mm，]周期为4.6 mm的金属贴片。其主要的参数计算公式如下[5]：

[A2=10D10?λ2ηπ2] （1）

[Q=fΔf-3 dB] （2）

[f=3×1082nl2+mL2+ph2] （3）

式中：[D]表示所希望达到的增益，单位为dB；[λ]为空气中的波长；[η]为所用辐射源的天线效率；[A]为EBG反射板的最小尺寸；[Q]为FP谐振腔的品质因数；[f]为EBG天线的中心频率；[n，m，p]为整数，[l，L]可以认为等于EBG反射板的最小尺寸，[h]为EBG反射板与接地板之间的距离。

由于只有当[n=m=p=1]时，才能强烈的激发起EBG的主模，因此由式（3）也可以看出影响EBG天线中心频率的主要因素是[h。]在本文中[h=]4.75 mm。

3 单个喇叭加载EBG半反射板

通过CST MWS的仿真得到EBG天线的辐射性能和[S11]曲线，如图2所示。

图2 EBG天线的[S11]曲线及增益曲线

由图2中可以看出，[S11<-8.5 dB]时，天线可以工作在29.7～30.2 GHz。且在[f=]30 GHz时天线的增益最高为23 dB，其方向图如图3所示，可以看出天线的副瓣小于-10 dB，比未加EBG反射板时的喇叭增益高出13 dB。

图3 f=30 GHz时天线的方向图

4 EBG天线阵列

在CST MWS软件中，仿真了7个喇叭的EBG天线阵列，如图4（a）所示，相邻的喇叭之间通过旋转膜片进行极化隔离如图4（b）所示，喇叭间距为[1.9λ0]。仿真时，只给中间的1号喇叭馈电，周围的6个喇叭的波端口不工作，研究此时的EBG天线的性能，其仿真结果如图5所示。

由图5中可以看出，当周围6个喇叭存在时，天线的[S11]曲线变化并不大，但是最大增益由原来的30 GHz变为29.8 GHz，峰值增益由原来的23 dB变为20 dB，如图6所示。这主要是由于3号喇叭与1号喇叭之间并没有进行极化隔离，由图7也可以看出[S31<]-15 dB，更多的是因为喇叭之间的互耦影响了天线的最大增益值。但是，天线的增益也比未加EBG反射板时的喇叭天线增益高出8 dB以上，且天线的副瓣小于-10 dB。

图4 EBG天线阵列仿真图及旋转膜片后的俯视图

图5 EBG天线阵列的[S11]曲线及增益曲线

图6 f=29.8 GHz时天线阵列的方向图

5 结 论

本文利用EBG天线重叠口径的特点，以FSS结构作为EBG反射板，口径为[0.87λ0×0.87λ0]的角锥喇叭作为辐射源，并进行设计与仿真，得到该EBG天线单个喇叭工作时的最大增益为23 dB且能工作在29.7～30.2 GHz。同时对7个喇叭的天线阵列性能进行了研究，发现当喇叭间距为19 mm时，天线的[S11]曲线变化不大，单元间的互耦小于-15 dB，同时天线的增益比单个喇叭时降低了3 dB，这主要是由于天线间的互耦关系以及EBG反射板尺寸变大所引起的。事实上，在实际应用中，应对天线的工作频带进行频分复用，文献[4]中给出了一种减少阵元间互耦的办法，即在喇叭的馈电端口添加上滤波器，可以改善EBG天线阵列的性能，使天线的最大增益与单个喇叭时天线增益仅少1 dB。因此，本文需要更进一步的工作就是，设计出一种滤波器，可以改善EBG天线阵元间的互耦，并且综合反射面研究其多波束的特性。

图7 EBG天线阵列的S31曲线

综上，本文所研究的EBG天线具有良好的工作性能，并且可以应用在单反射面多波束天线系统中，为将来小型化卫星的设计提供一种设计方案。

参考文献

[1] 周欣，张艳君.基于电磁带隙结构的多波束天线馈源研究[C]//2013年卫星有效载荷技术学术年会论文集.西安：中国电子学会空间电子学分会，2013：890?893.

[2] CHEYPE C， SERIER C， THEVENOT M. An electromagnetic bandgap resonator antenna [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2002， 50（9）： 1285?1290.

[3] 刘震国，葛志晨.Fabry?Perot谐振天线研究综述[J].现代雷达，2009，32（9）：70?75.

[4] CHANTALT R， MEBUDIER C， THEVENOT M， et al. Enhanced EBG resonator antenna as feed of a reflector antenna in the Ka band [J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters， 2008， 7： 349?353.

[5] LEGER L， SERIER C， CHANTALAT R， et al. 1D dielectric electromagnetic band gap （EBG） resonator antenna design [J]. Annales des télécommunications， 2004， 59（3/4）： 242?260.

[6] 赵后亮，尹家贤.一种S波段宽带微带贴片天线阵列的设计[J].现代电子技术，2012，35（23）：109?111.

[Q=fΔf-3 dB] （2）

[f=3×1082nl2+mL2+ph2] （3）

式中：[D]表示所希望达到的增益，单位为dB；[λ]为空气中的波长；[η]为所用辐射源的天线效率；[A]为EBG反射板的最小尺寸；[Q]为FP谐振腔的品质因数；[f]为EBG天线的中心频率；[n，m，p]为整数，[l，L]可以认为等于EBG反射板的最小尺寸，[h]为EBG反射板与接地板之间的距离。

由于只有当[n=m=p=1]时，才能强烈的激发起EBG的主模，因此由式（3）也可以看出影响EBG天线中心频率的主要因素是[h。]在本文中[h=]4.75 mm。

3 单个喇叭加载EBG半反射板

通过CST MWS的仿真得到EBG天线的辐射性能和[S11]曲线，如图2所示。

图2 EBG天线的[S11]曲线及增益曲线

由图2中可以看出，[S11<-8.5 dB]时，天线可以工作在29.7～30.2 GHz。且在[f=]30 GHz时天线的增益最高为23 dB，其方向图如图3所示，可以看出天线的副瓣小于-10 dB，比未加EBG反射板时的喇叭增益高出13 dB。

图3 f=30 GHz时天线的方向图

4 EBG天线阵列

在CST MWS软件中，仿真了7个喇叭的EBG天线阵列，如图4（a）所示，相邻的喇叭之间通过旋转膜片进行极化隔离如图4（b）所示，喇叭间距为[1.9λ0]。仿真时，只给中间的1号喇叭馈电，周围的6个喇叭的波端口不工作，研究此时的EBG天线的性能，其仿真结果如图5所示。

由图5中可以看出，当周围6个喇叭存在时，天线的[S11]曲线变化并不大，但是最大增益由原来的30 GHz变为29.8 GHz，峰值增益由原来的23 dB变为20 dB，如图6所示。这主要是由于3号喇叭与1号喇叭之间并没有进行极化隔离，由图7也可以看出[S31<]-15 dB，更多的是因为喇叭之间的互耦影响了天线的最大增益值。但是，天线的增益也比未加EBG反射板时的喇叭天线增益高出8 dB以上，且天线的副瓣小于-10 dB。

图4 EBG天线阵列仿真图及旋转膜片后的俯视图

图5 EBG天线阵列的[S11]曲线及增益曲线

图6 f=29.8 GHz时天线阵列的方向图

5 结 论

本文利用EBG天线重叠口径的特点，以FSS结构作为EBG反射板，口径为[0.87λ0×0.87λ0]的角锥喇叭作为辐射源，并进行设计与仿真，得到该EBG天线单个喇叭工作时的最大增益为23 dB且能工作在29.7～30.2 GHz。同时对7个喇叭的天线阵列性能进行了研究，发现当喇叭间距为19 mm时，天线的[S11]曲线变化不大，单元间的互耦小于-15 dB，同时天线的增益比单个喇叭时降低了3 dB，这主要是由于天线间的互耦关系以及EBG反射板尺寸变大所引起的。事实上，在实际应用中，应对天线的工作频带进行频分复用，文献[4]中给出了一种减少阵元间互耦的办法，即在喇叭的馈电端口添加上滤波器，可以改善EBG天线阵列的性能，使天线的最大增益与单个喇叭时天线增益仅少1 dB。因此，本文需要更进一步的工作就是，设计出一种滤波器，可以改善EBG天线阵元间的互耦，并且综合反射面研究其多波束的特性。

图7 EBG天线阵列的S31曲线

综上，本文所研究的EBG天线具有良好的工作性能，并且可以应用在单反射面多波束天线系统中，为将来小型化卫星的设计提供一种设计方案。

参考文献

[1] 周欣，张艳君.基于电磁带隙结构的多波束天线馈源研究[C]//2013年卫星有效载荷技术学术年会论文集.西安：中国电子学会空间电子学分会，2013：890?893.

[2] CHEYPE C， SERIER C， THEVENOT M. An electromagnetic bandgap resonator antenna [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2002， 50（9）： 1285?1290.

[3] 刘震国，葛志晨.Fabry?Perot谐振天线研究综述[J].现代雷达，2009，32（9）：70?75.

[4] CHANTALT R， MEBUDIER C， THEVENOT M， et al. Enhanced EBG resonator antenna as feed of a reflector antenna in the Ka band [J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters， 2008， 7： 349?353.

[5] LEGER L， SERIER C， CHANTALAT R， et al. 1D dielectric electromagnetic band gap （EBG） resonator antenna design [J]. Annales des télécommunications， 2004， 59（3/4）： 242?260.

[6] 赵后亮，尹家贤.一种S波段宽带微带贴片天线阵列的设计[J].现代电子技术，2012，35（23）：109?111.

[Q=fΔf-3 dB] （2）

[f=3×1082nl2+mL2+ph2] （3）

式中：[D]表示所希望达到的增益，单位为dB；[λ]为空气中的波长；[η]为所用辐射源的天线效率；[A]为EBG反射板的最小尺寸；[Q]为FP谐振腔的品质因数；[f]为EBG天线的中心频率；[n，m，p]为整数，[l，L]可以认为等于EBG反射板的最小尺寸，[h]为EBG反射板与接地板之间的距离。

由于只有当[n=m=p=1]时，才能强烈的激发起EBG的主模，因此由式（3）也可以看出影响EBG天线中心频率的主要因素是[h。]在本文中[h=]4.75 mm。

3 单个喇叭加载EBG半反射板

通过CST MWS的仿真得到EBG天线的辐射性能和[S11]曲线，如图2所示。

图2 EBG天线的[S11]曲线及增益曲线

由图2中可以看出，[S11<-8.5 dB]时，天线可以工作在29.7～30.2 GHz。且在[f=]30 GHz时天线的增益最高为23 dB，其方向图如图3所示，可以看出天线的副瓣小于-10 dB，比未加EBG反射板时的喇叭增益高出13 dB。

图3 f=30 GHz时天线的方向图

4 EBG天线阵列

在CST MWS软件中，仿真了7个喇叭的EBG天线阵列，如图4（a）所示，相邻的喇叭之间通过旋转膜片进行极化隔离如图4（b）所示，喇叭间距为[1.9λ0]。仿真时，只给中间的1号喇叭馈电，周围的6个喇叭的波端口不工作，研究此时的EBG天线的性能，其仿真结果如图5所示。

由图5中可以看出，当周围6个喇叭存在时，天线的[S11]曲线变化并不大，但是最大增益由原来的30 GHz变为29.8 GHz，峰值增益由原来的23 dB变为20 dB，如图6所示。这主要是由于3号喇叭与1号喇叭之间并没有进行极化隔离，由图7也可以看出[S31<]-15 dB，更多的是因为喇叭之间的互耦影响了天线的最大增益值。但是，天线的增益也比未加EBG反射板时的喇叭天线增益高出8 dB以上，且天线的副瓣小于-10 dB。

图4 EBG天线阵列仿真图及旋转膜片后的俯视图

图5 EBG天线阵列的[S11]曲线及增益曲线

图6 f=29.8 GHz时天线阵列的方向图

5 结 论

本文利用EBG天线重叠口径的特点，以FSS结构作为EBG反射板，口径为[0.87λ0×0.87λ0]的角锥喇叭作为辐射源，并进行设计与仿真，得到该EBG天线单个喇叭工作时的最大增益为23 dB且能工作在29.7～30.2 GHz。同时对7个喇叭的天线阵列性能进行了研究，发现当喇叭间距为19 mm时，天线的[S11]曲线变化不大，单元间的互耦小于-15 dB，同时天线的增益比单个喇叭时降低了3 dB，这主要是由于天线间的互耦关系以及EBG反射板尺寸变大所引起的。事实上，在实际应用中，应对天线的工作频带进行频分复用，文献[4]中给出了一种减少阵元间互耦的办法，即在喇叭的馈电端口添加上滤波器，可以改善EBG天线阵列的性能，使天线的最大增益与单个喇叭时天线增益仅少1 dB。因此，本文需要更进一步的工作就是，设计出一种滤波器，可以改善EBG天线阵元间的互耦，并且综合反射面研究其多波束的特性。

图7 EBG天线阵列的S31曲线

综上，本文所研究的EBG天线具有良好的工作性能，并且可以应用在单反射面多波束天线系统中，为将来小型化卫星的设计提供一种设计方案。

参考文献

[1] 周欣，张艳君.基于电磁带隙结构的多波束天线馈源研究[C]//2013年卫星有效载荷技术学术年会论文集.西安：中国电子学会空间电子学分会，2013：890?893.

[2] CHEYPE C， SERIER C， THEVENOT M. An electromagnetic bandgap resonator antenna [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2002， 50（9）： 1285?1290.

[3] 刘震国，葛志晨.Fabry?Perot谐振天线研究综述[J].现代雷达，2009，32（9）：70?75.

[4] CHANTALT R， MEBUDIER C， THEVENOT M， et al. Enhanced EBG resonator antenna as feed of a reflector antenna in the Ka band [J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters， 2008， 7： 349?353.

[5] LEGER L， SERIER C， CHANTALAT R， et al. 1D dielectric electromagnetic band gap （EBG） resonator antenna design [J]. Annales des télécommunications， 2004， 59（3/4）： 242?260.

[6] 赵后亮，尹家贤.一种S波段宽带微带贴片天线阵列的设计[J].现代电子技术，2012，35（23）：109?111.