基于场匹配技术的厚部分反射面法布里-珀罗腔天线分析与性能优化研究

《International Journal of Microwave and Wireless Technologies》：Analysis of Fabry–Perot cavity antennas based on thick partially reflecting sheets through a field matching technique

本文针对传统薄部分反射面(PRS)法布里-珀罗腔天线(FPCA)带宽受限的问题，研究人员通过场匹配技术(FMT)和横向等效网络(TEN)方法，系统分析了厚PRS结构对天线性能的增强机制。研究发现，当介质覆层厚度hsup接近λd/2时，可产生非福斯特响应，显著提升增益-带宽性能指标。全波仿真验证了该方法的有效性，为高频段天线设计提供了新思路。

　　

在当今高速通信时代，毫米波技术因其大带宽潜力成为5G/6G通信的关键支撑。然而，传统天线在毫米波频段面临严峻挑战——如何实现高增益与宽频带的兼得？法布里-珀罗腔天线(FPCA)以其独特的谐振腔结构，为这一难题提供了优雅的解决方案。这类天线通过在接地介质基板上方加载部分反射面(PRS)，形成类似激光器的谐振腔，将电磁波束缚在腔内多次反射后相干叠加，最终形成高定向性的辐射波束。

但完美总伴随代价：传统基于薄PRS的FPCA虽能实现高增益，其带宽却极为有限。这源于薄PRS的福斯特特性导致谐振条件仅在单一频率严格满足。如同走钢丝般，天线性能在频率偏移时急剧恶化，严重制约了实际应用。为此，研究人员将目光投向厚PRS结构——通过在金属栅格上方加载介质覆层，有望打破带宽桎梏。

意大利国家研究委员会微电子与微系统研究所的Edoardo Negri团队在《International Journal of Microwave and Wireless Technologies》发表的最新研究中，开创性地采用场匹配技术(FMT)深入剖析厚PRS-FPCA的工作机制。该研究不仅从物理层面揭示了带宽增强的奥秘，更通过半解析匹配技术实现了天线设计的实用化突破。

关键技术方法包括：1）场匹配技术建立厚PRS结构电磁场解析模型；2）横向等效网络与横向谐振法求解漏波传播常数；3）半解析波导匹配网络设计（采用双电容膜片结构）；4）全波仿真验证（CST Microwave Studio）。

理论背景分析

研究团队首先通过横向等效网络模型，推导出FPCA的谐振条件表达式。当介质覆层厚度h_sup=1.3 mm（接近介质中半波长）时，PRS反射系数相位呈现非福斯特特性，即在特定频段内随频率升高而增大。这种反常行为使得谐振条件在60 GHz附近宽达15 GHz的频带内近似满足，为带宽扩展奠定物理基础。

漏波分析进一步显示，厚PRS结构下漏波相位常数β与衰减常数α在宽频带内保持相近，满足β?α的最佳辐射条件。这与薄PRS仅在单频点满足该条件形成鲜明对比，从电磁波传播角度印证了带宽增强机制。

场匹配技术研究

研究团队创新性地建立场匹配模型，通过严格满足PRS界面电磁边界条件，推导出厚PRS-FPCA的色散方程。该方程首次实现了不依赖全波仿真的漏波特性解析计算，为快速优化设计提供理论工具。

场分布分析揭示关键现象：当h_sup=1.3 mm时，介质覆层内出现明显的场共振，形成第二个场增强区域。这种双共振结构有效拓宽了天线的工作带宽。而不足厚度（h_sup=0.5 mm）的覆层仅产生微弱场扰动，证实了半波长厚度设计的关键性。

全波仿真验证

基于理论优化参数，团队构建了横向尺寸10λ₀的天线模型。仿真结果显示，厚PRS-FPCA在55-65 GHz频段内保持稳定定向辐射，-3 dB增益带宽显著优于薄PRS结构。辐射方向图与理论预测高度吻合，验证了模型准确性。

针对实际馈电问题，研究采用矩形波导通过接地板缝隙激励天线。通过半解析方法设计双电容膜片匹配网络，使反射系数在目标频段内低于-10 dB，实现了理论带宽的充分利用。该匹配网络仅需一次全波仿真即可完成优化，大幅提升设计效率。

本研究通过严格的场匹配技术，首次从物理机制层面揭示了厚部分反射面结构提升法布里-珀罗腔天线带宽的本质原因。研究证实，当介质覆层厚度接近半波长时，产生的非福斯特响应能使天线在宽频带内维持最佳辐射状态。所建立的解析模型避免了重复全波仿真，为高频天线设计提供了高效工具。更重要的是，研究中实现的波导馈电匹配方案，使理论成果向实用化迈进关键一步。这项研究不仅为毫米波/太赫兹通信天线设计开辟新途径，其场匹配分析方法对各类周期性结构电磁器件都具有重要借鉴意义。