加載SIW背腔的低剖面縫隙天線

穆欣

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

低剖面天線具有縱向尺寸小，易共形等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在衛(wèi)星、飛機(jī)等平臺上。微帶縫隙天線是一種常見的低剖面天線形式，但其雙向輻射特性限制了應(yīng)用范圍。為了實(shí)現(xiàn)單向輻射，通常在縫隙天線背面四分之一波長處加載反射板或反射腔，但這樣增大了天線的尺寸，破壞了其低剖面特性。

為了實(shí)現(xiàn)單向輻射的低剖面輻射天線，文獻(xiàn)[1]利用介質(zhì)波長比自由空間波長小的特性，采用介質(zhì)反射腔體代替空氣反射腔，降低了反射腔高度，實(shí)現(xiàn)了一定程度的低剖面性能；文獻(xiàn)[2]利用異形的金屬反射板代替金屬平板實(shí)現(xiàn)減小反射板高度；上述方法均基于間距四分之一波長金屬地板對輻射波的反射同相疊加原理，未能從根本上實(shí)現(xiàn)低剖面。文獻(xiàn)[3]利用超材料技術(shù)，將周期性的金屬貼片集成在反射板上，利用周期性結(jié)構(gòu)的零反射相位帶隙特性，將四分之一波長間距縮小為0.1波長甚至更小，該方法需要嚴(yán)格控制天線與反射板的間距，造成天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)困難比較大。本文利用介質(zhì)集成波導(dǎo)（Substrate Integrated Waveguide，SIW）構(gòu)成微帶諧振腔，在諧振腔上開矩形縫隙實(shí)現(xiàn)輻射，通過帶地共面波導(dǎo)（Grounded Coplanar Waveguide，GCPW）饋電，實(shí)現(xiàn)了具有單向輻射性能的縫隙天線，該天線擺脫了四分之一波長處的反射板的限制，從根本上實(shí)現(xiàn)了低剖面。同時(shí)該天線結(jié)構(gòu)簡單，制作工藝難度小。

SIW技術(shù)首先被Wu提出[4]，它與常見的金屬壁波導(dǎo)具有類似的傳輸線特性，可以看成“薄板”波導(dǎo)。SIW是由刻蝕了一定的金屬化通孔，且兩面印制金屬層的印制板構(gòu)成，金屬化通孔形成電壁，與上下兩層金屬面形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。通常金屬化通孔可以看成波導(dǎo)的窄邊壁，兩面金屬層可以看稱波導(dǎo)的寬邊壁，如果在SIW一端再加一排金屬化通孔形成短路壁，這就形成SIW諧振腔。本文在諧振腔壁上開矩形縫隙，并合理調(diào)整縫隙和諧振腔的結(jié)構(gòu)尺寸，就能滿足一定的天線輻射要求。GCPW是一種平面?zhèn)鬏斁€，它是在傳統(tǒng)的CPW傳輸線基礎(chǔ)上增加了地板，該結(jié)構(gòu)不改變CPW的傳輸線特性，是一種常用的SIW諧振腔饋電形式[4]。本文設(shè)計(jì)的加載SIW背腔的縫隙天線可以看成是利用SIW諧振腔在波導(dǎo)寬邊開縫隙的波導(dǎo)縫隙天線，這樣天線不僅集成了微帶縫隙天線的低剖面特性還集成了波導(dǎo)縫隙天線的單向輻射特性。本文設(shè)計(jì)的天線厚度只有0.0290λ，比起傳統(tǒng)的四分之一波長反射板形式，天線剖面降低了89%。

1 天線設(shè)計(jì)

天線外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 天線背部透視圖和橫截面圖

天線集成在一塊介電常數(shù)為2.55的介質(zhì)板上，介質(zhì)板正面是刻蝕了矩形縫隙的金屬地，背面是50歐的GCPW饋電結(jié)構(gòu)。縫隙四周用金屬化通孔圍成矩形腔體，為了使金屬化通孔能夠代替金屬壁，其大小和間距滿足以下條件[5-6]：d/dp≥0.5，d/λ0≤0.1，其中d是孔直徑，dp是孔間距，λ0是自由空間波長。

如圖2所示，將SIW圍成的部分看成波導(dǎo)諧振腔，調(diào)整諧振腔體的寬窄比例，使腔內(nèi)諧振電磁場主模為 TE120模[4]，縫隙開在諧振腔偏中心位置，沿GCPW饋線左右對稱，可以看出產(chǎn)生了垂直于縫隙的電場，并且縫隙兩側(cè)電場方向相反。正是這種結(jié)構(gòu)造成了垂直于介質(zhì)板表面的電場分量互相抵消，而平行于介質(zhì)板表面的電場分量疊加，產(chǎn)生了與饋線平行方向極化的電磁波輻射。

圖2 天線電場矢量分布圖

圖3 諧振頻率隨腔體厚度H變化

圖4 諧振頻率隨縫隙長度Ls變化

在上述分析基礎(chǔ)上，進(jìn)行了如下仿真，并得到結(jié)論：

（1）諧振腔大小會影響諧振頻率，即腔體厚度H和長度Ws將影響天線諧振頻率，腔體尺寸越小諧振頻率越高。

仿真分析H和Ws參數(shù)對諧振頻率的影響也證明這一點(diǎn)。如圖3和圖4所示。

（2）縫隙位置Ps影響天線阻抗匹配。

由于諧振腔不同區(qū)域的場分布不同，對應(yīng)每一點(diǎn)的阻抗不同，為了滿足饋線 50歐的阻抗匹配，需要調(diào)節(jié)縫隙位置。由于天線沿著饋線左右結(jié)構(gòu)對稱，因此阻抗也是左右對稱，所以阻抗匹配的縫隙位置為Ps=15.5mm，如圖1所示。仿真對比結(jié)果如圖5所示。

圖5 駐波比隨Ps變化

（3）縫隙長度Ls在一定程度上影響天線諧振頻率。Ls越大，諧振頻率越低，反之諧振頻率越高。在此需要提出，由于該天線對應(yīng)諧振腔在TE120模式下工作，當(dāng)頻率變化，諧振腔不能滿足TE120模式諧振，天線將不能輻射，因此Ls對天線諧振頻率僅有一定程度的影響。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 諧振頻率隨腔體長度Ws變化

2 天線仿真結(jié)果

利用 HFSS13仿真天線，天線中心頻率為 f0，天線結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示，其中仿真的駐波比如圖7所示，天線的輻射方向圖如圖8所示。

圖7 駐波比

從圖7、圖8中可見，天線的阻抗帶寬達(dá)到了60MHz，天線實(shí)現(xiàn)了單向輻射，且增益達(dá)到了5.9dBi。該天線厚度僅有0.0290λ，具備極低的剖面，可以被應(yīng)用在衛(wèi)星，飛機(jī)等對尺寸要求極為嚴(yán)格的平臺上。

從仿真結(jié)果看，該類型天線也有帶寬窄，增益不高兩個缺點(diǎn)。主要原因如下：

（1）該天線輻射基于SIW諧振腔的強(qiáng)諧振，諧振腔尺寸不僅限制了諧振頻率，同時(shí)限制了天線帶寬，造成天線帶寬比較窄，一般情況下約為 3～5%；

（2）在該類型天線中，電磁波首先介質(zhì)中諧振，然后通過縫隙輻射，因此天線的介質(zhì)損耗較大。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了加載SIW背腔的縫隙天線，該天線集成了微帶縫隙天線的低剖面特性，同時(shí)滿足單向輻射特性。文章詳細(xì)分析了天線輻射原理，仿真結(jié)果表明該天線具有良好的單向輻射性能，并且具有極低的剖面（天線厚度為0.0290λ）。對于衛(wèi)星，飛機(jī)等結(jié)構(gòu)尺寸要求極為嚴(yán)格的平臺，該天線是一種較好的單元天線形式。