一種新型Ku波段背腔式縫隙天線的研究

翟建龍

（中北大學(xué)，山西 太原 030051）

0 引言

隨著現(xiàn)代無線技術(shù)的迅速發(fā)展，天線成為無線應(yīng)用的關(guān)鍵部件，因此對天線性能也提出了更高的要求。

微帶貼片天線具有重量輕、尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、輻射損耗低、易集成、輻射特性好等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。但由于一般的微帶天線帶寬較窄，陣列損耗大的缺點(diǎn)，使其在應(yīng)用上受到很大的限制。微帶縫隙天線具有高增益、重量輕、副瓣低、小型化、易加工等特點(diǎn)，一直在無線通信領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)有的微帶縫隙天線有環(huán)形縫隙微帶天線、矩形縫隙微帶天線、折疊縫隙微帶天線、漸變縫隙微帶天線、分形天線，其帶寬可達(dá)到10%～100%。提出了一種背腔式六邊形縫隙天線，其采用基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)諧振腔體并有微帶線和線性漸變過渡段進(jìn)行饋電，通過調(diào)節(jié)六邊形縫隙大小，使得天線達(dá)到帶寬147MHz，增益4.87dB。設(shè)計(jì)了一種W波段基片集成波導(dǎo)背腔縫隙天線，該天線的阻抗帶寬達(dá)到28.6%，覆蓋了W波段75%的頻帶范圍，且交叉極化極低。采用共面波導(dǎo)傳輸方式設(shè)計(jì)了一種缺陷接地結(jié)構(gòu)的啞鈴型縫隙天線，實(shí)現(xiàn)了抑制高次諧波的效果。共面波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)由帶狀的中心金屬導(dǎo)體饋電和兩邊的槽線組成，并制作在電介質(zhì)層的上表面。共面波導(dǎo)饋電與傳統(tǒng)的微帶傳輸線饋電方式相比具有結(jié)構(gòu)簡單，易于與有源或無源設(shè)備共形、避免了基片的穿孔和開槽、有效減少了輻射損耗等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí),共面波導(dǎo)的特性阻抗僅由中心饋電金屬和兩邊槽線的比值確定，可以通過適當(dāng)改變比值達(dá)到有效減小尺寸的目的。

本文設(shè)計(jì)并加工了一種Ku波段背腔式縫隙天線，詳細(xì)分析了縫隙天線結(jié)構(gòu)中背腔深度h、縫隙的寬度W、長度L對天線性能的影響，并實(shí)際測試了天線樣機(jī)的性能。該縫隙天線頻帶寬，高增益，易集成，加工成本低，在實(shí)際中有廣泛的應(yīng)用前景。

1 天線設(shè)計(jì)

利用高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件（HFSS）對所提出的背腔式縫隙天線進(jìn)行建模分析以及仿真優(yōu)化，得出天線性能最優(yōu)時(shí)的結(jié)構(gòu)參數(shù)：L=23mm，W=7.3mm，t=2mm，h=3mm，s=0.11mm，w=1mm，a=13.5mm，b=23.6mm。通過仿真最優(yōu)參數(shù)得到的回波損耗S11如圖2所示，天線的諧振頻率f=13.34GHz，在頻段11.00～14.12GHz內(nèi)的S11參數(shù)小于-10dB，帶寬為3.12GHz。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 S11 隨f 的變化曲線

2 性能分析

2.1 縫隙尺寸對天線性能的影響

為了使天線達(dá)到良好的阻抗匹配效果，產(chǎn)生較大的阻抗帶寬，通過HFSS軟件的優(yōu)化分析功能來分析改變縫隙尺寸對天線性能的影響。

首先對縫隙長度L對天線回波損耗的影響進(jìn)行分析，當(dāng)分別取L=22mm、23mm、24mm時(shí)，S11的仿真結(jié)果如圖3所示。可以看出隨著縫隙長度L逐漸增加，天線的諧振頻率發(fā)生變化，阻抗帶寬則隨著L值的增大而減小，且當(dāng)L=23mm時(shí)，回波損耗S11最低，天線的阻抗匹配最好。

圖3 S11 隨L 的變化曲線

當(dāng)縫隙寬度W=7.2mm、7.3mm、7.4mm時(shí)，天線的回波損耗仿真結(jié)果如圖4所示。可以看出隨著蝶形縫隙寬度W的增大，天線的諧振頻率發(fā)生變化，且當(dāng)W=7.3mm時(shí)，回波損耗S11最低，天線的阻抗匹配最好。

圖4 S11 隨W 的變化曲線

2.2 背腔厚度對天線性能的影響

背腔厚度h對天線性能的影響如圖5所示，可以看出隨著背腔厚度h逐漸增加，天線的諧振頻率逐漸變低，阻抗帶寬則隨著h值的增大而減小，且當(dāng)h=2mm時(shí)，回波損耗S11最低，天線的阻抗匹配最好。

圖5 S11 隨h 的變化曲線

3 天線測試

實(shí)際測試中將SMA接頭焊接到天線饋電端，天線樣機(jī)如圖6所示。圖7所示為設(shè)計(jì)天線的S11參數(shù)仿真結(jié)果與測試結(jié)果對比圖。仿真結(jié)果表明該天線在頻段11.00～14.12GHz內(nèi)的S11參數(shù)小于-10dB，帶寬為3.12GHz。測試結(jié)果顯示：該背腔式縫隙天線的S11參數(shù)小于-10dB的頻段為11.00～14.02GHz，帶寬為3.02GHz，相對帶寬為24.14%，諧振頻率稍微右移且回波損耗減小。形成差別的主要原因可能是在背腔的制作過程中由于制作條件有限使背腔沒有達(dá)到仿真時(shí)的理想條件，對基片的厚度及介電常數(shù)產(chǎn)生了影響，同時(shí)由于測試環(huán)境存在的誤差導(dǎo)致測試得到的諧振頻率與仿真的諧振頻率出現(xiàn)不一致的現(xiàn)象，但測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合[3]。

圖6 天線實(shí)物圖

圖7 天線測試圖

用微波暗室測試了天線的輻射性能，將測試得到的13GHz下的E面和H面結(jié)果與仿真得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果如圖8所示，仿真結(jié)果表明該天線的最大輻射增益為8.44dB，測試結(jié)果顯示該天線的最大輻射增益為8.07dB，由于受實(shí)驗(yàn)臺和制造工藝的限制，實(shí)測的輻射方向圖基本與仿真結(jié)果之間存在一定的一致性，實(shí)現(xiàn)了相對的高增益[4-5]。

圖8 天線輻射方向圖

4 結(jié)語

本文提出了一種適用于Ku波段的共面波導(dǎo)饋電的背腔式縫隙天線，通過HFSS的仿真和優(yōu)化，討論了縫隙寬度W、長度L和背腔厚度h對天線性能的影響，并對天線樣機(jī)進(jìn)行測試，仿真數(shù)據(jù)和測試結(jié)果表明，該天線帶寬大于3GHz，增益大于8dB，具有良好的輻射增益和阻抗匹配性。該天線頻帶寬，高增益，易集成，加工成本低，在實(shí)際中有廣泛的應(yīng)用前景。