一種K頻段基片集成波導(dǎo)背腔貼片天線設(shè)計(jì)

劉少輝

(華東電子工程研究所 合肥 230088)

0 引言

SIW基片集成波導(dǎo)屬平面微波傳輸線結(jié)構(gòu)，以標(biāo)準(zhǔn)的PCB工藝加工，和微帶傳輸線同樣具有平面導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)在于插入損耗及品質(zhì)因數(shù)要好于微帶傳輸線；與波導(dǎo)傳輸線相比，SIW體積小、重量輕、易于加工和實(shí)現(xiàn)平面集成，其具備的平面導(dǎo)波結(jié)構(gòu)是波導(dǎo)結(jié)構(gòu)無法達(dá)到的。在小型化、高靈敏度雷達(dá)系統(tǒng)及無線通信系統(tǒng)不斷發(fā)展壯大的今天，SIW基片集成波導(dǎo)的優(yōu)勢(shì)逐步凸顯，在微波毫米波領(lǐng)域的相關(guān)研究、應(yīng)用蓬勃發(fā)展[6]。90年代末至今，SIW相關(guān)技術(shù)及產(chǎn)品不斷被學(xué)者及工程應(yīng)用界深入探討。本文結(jié)合工程需求，介紹了一種工作在K頻段的SIW貼片天線。

1 SIW傳輸線設(shè)計(jì)

SIW(Substrate Integrated Waveguide)傳輸線又稱介質(zhì)基片集成波導(dǎo)，它以某厚度介質(zhì)板為基板，保留介質(zhì)板上下面金屬箔，通過連接上、下表面的適當(dāng)孔徑、孔間距的金屬化通孔，來束縛微波傳輸?shù)穆窂?，形成了一種新型的平面化、小型化、低成本的傳輸線類型。由于SIW側(cè)壁由等間距金屬通孔構(gòu)成，側(cè)壁上沿波導(dǎo)軸向的表面電流被切斷，所以支持持TE模式傳輸。由于厚度遠(yuǎn)小于寬度，因此一般只有TEm0模式存在[4]。

SIW傳輸線示意圖如圖2：

圖2中w為SIW寬度，d為金屬化通孔直徑，s為相鄰?fù)组g距，h為背腔介質(zhì)片厚度。為了盡量減少損耗，在工作頻段，三者尺寸應(yīng)該滿足式(1)關(guān)系[1]、[5]。

(1)

分析SIW傳輸線特性，可以等效為介質(zhì)填充波導(dǎo)，其主模TE10的截止頻率為

(2)

本設(shè)計(jì)SIW傳輸線寬度w取5.6mm，金屬化通孔間距s取1.6mm，金屬化通孔直徑d取0.8mm[3]。

2 SIW背腔貼片天線設(shè)計(jì)

背腔貼片天線的輻射特性由矩形貼片的四條縫隙的輻射疊加確定，與微波傳輸方向垂直的兩條長縫，具有同相的極化特性，在無窮遠(yuǎn)處形成干涉疊加效果。與微波傳輸方向平行的兩條短縫，具有反相的極化特性，在無窮遠(yuǎn)處形成對(duì)消。因此，綜合疊加的效果由兩條長縫的極化決定，形成垂直于長縫的線極化波[3]。

實(shí)際工作中，貼片諧振于TE10模式，貼片所在諧振腔諧振在TE102模式，調(diào)節(jié)諧振腔的尺寸以及貼片、縫隙尺寸，可使得兩個(gè)諧振模式同頻工作，從而產(chǎn)生良好的輻射效果。

介質(zhì)板采用介電常數(shù)為2.2的羅杰斯5880板材，貼片寬度可由下式初步確定：

(3)

其中，fr是天線的諧振頻率。

(4)

其中，εe為等效介電常數(shù)

(5)

經(jīng)過初步計(jì)算，如圖3示，取貼片長度W=7.7mm、貼片寬度L=3.7mm、輻射縫隙寬度k=0.2mm、背腔饋電金屬柱直徑D=1.1mm。

3 仿真設(shè)計(jì)結(jié)果

確定了貼片天線的基本尺寸后，即可建立模型、設(shè)置輻射邊界使用HFSS軟件進(jìn)行仿真優(yōu)化，尋找貼片諧振模式TE10與諧振腔諧振模式TE102的同頻工作點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)良好的自由空間輻射。

優(yōu)化內(nèi)容包括腔體橫向尺寸、腔體縱向尺寸、背腔饋電金屬柱點(diǎn)位、背腔饋電金屬柱半徑、縫隙寬度等。其中，天線指標(biāo)對(duì)饋電金屬柱半徑及饋電位置非常敏感，需要精心設(shè)計(jì)。優(yōu)化后各主要尺寸數(shù)值見表1。

表1 貼片尺寸參數(shù)表

由圖4可看出天線單元饋電傳輸段及輻射縫微波電場分布情況，說明基本設(shè)計(jì)符合天線工作要求。

圖5～圖8分別為SIW貼片天線單元的反射系數(shù)、3D增益方向圖、EH截面增益方向圖、交叉極化方向圖，可以看到，在沒有使用寬帶設(shè)計(jì)方法的情況下，SIW貼片天線單元在S11<-20dB可以實(shí)現(xiàn)3.6%的帶寬，交叉極化優(yōu)于-17dB。

4 結(jié)束語

本文以工程實(shí)例，介紹了一種K頻段SIW 基片集成背腔貼片天線單元的設(shè)計(jì)。實(shí)際使用中，可采用多種微帶-SIW變換形式，實(shí)現(xiàn)微帶線與SIW的能量交換，以便于集成到小型化微波系統(tǒng)中。隨著無線、高靈敏度通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展，SIW天線的小體積、輕量化、低損耗、低成本、高效率的優(yōu)點(diǎn)將會(huì)在更廣闊的工程領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用。