雙波束基片集成波導(dǎo)背腔縫隙天線設(shè)計(jì)?

胡開(kāi)洋 李 霜 鐘小瑛

（1.海裝駐上海地區(qū)第一軍事代表室 上海 202150）（2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心 武漢 430064）

1 引言

早期的微波電路系統(tǒng)主要使用金屬波導(dǎo)［1～2］結(jié)構(gòu)和微波同軸線結(jié)構(gòu)作為微波傳輸線，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行對(duì)應(yīng)微波器件設(shè)計(jì)。隨著微波系統(tǒng)復(fù)雜度的提高以及人們對(duì)于微波系統(tǒng)小型化需求的提高，金屬波導(dǎo)和微波同軸線愈發(fā)暴露出其固有缺點(diǎn)［3～8］。隨著下一代無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，能夠提供更大數(shù)據(jù)容量的雙波束天線被越來(lái)越多的研究。文獻(xiàn)［9］證明了相比于傳統(tǒng)的MIMO天線，一個(gè)毫米波的雙波束的MIMO天線能提供更好的空間分集和更高的增益特性。文獻(xiàn)［10］和文獻(xiàn)［11］展示出在傳輸和發(fā)射端，雙波束天線的應(yīng)用可以更好地提高通信系統(tǒng)的質(zhì)量和增加通信容量。因此，雙波束天線在諸如微基站、通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)和萬(wàn)物互聯(lián)系統(tǒng)等現(xiàn)代通信系統(tǒng)中承擔(dān)著非常重要的角色。

在過(guò)去幾十年間，不同的技術(shù)被用來(lái)去設(shè)計(jì)雙波束天線，傳統(tǒng)的產(chǎn)生雙波束輻射特性的方法是利用相控陣方法，文獻(xiàn)［12］給出了一個(gè)雙波束天線，具有1*4的天線陣列和4*4的hada-mard矩陣饋電網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)給不同的端口饋電，可以產(chǎn)生相應(yīng)的波束。但是這種產(chǎn)生多波束的方法需要包含大量的T/R組件，并且需要復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)來(lái)保證正常的工作，這將給天線設(shè)計(jì)帶來(lái)大量的困難。在文獻(xiàn)［13］中，一個(gè)在微帶貼片上開(kāi)U形槽的方法被提出來(lái)，通過(guò)加載U形槽，微帶貼片上的TM02模式被激勵(lì)出來(lái)，進(jìn)而產(chǎn)生雙波束輻射特性，但是這兩種方法產(chǎn)生的兩個(gè)波束并不完全對(duì)稱。文獻(xiàn)［13］通過(guò)采用人工磁導(dǎo)體材料，在邊射方向產(chǎn)生了兩個(gè)完全對(duì)稱的輻射波束，但是這種天線具有較大的尺寸，不適合系統(tǒng)的集成。

本文通過(guò)利用基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一個(gè)背腔縫隙天線。通過(guò)采用接地共面波導(dǎo)饋電技術(shù)，展寬了天線的帶寬。同時(shí)，在基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的上表面開(kāi)W形縫隙，天線在13.4GHz～14.1GHz頻帶范圍內(nèi)獲得了雙波束輻射特性。

2 天線設(shè)計(jì)

所提到的雙波束天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示，優(yōu)化后的參數(shù)如表1所示。天線由三部分結(jié)構(gòu)組成，下層金屬表面作為接地板，中間的rogers5880的介質(zhì)板，以及上層金屬表面。上層金屬表面包含構(gòu)成輻射的W形縫隙、為實(shí)現(xiàn)寬阻抗帶寬特性的接地功率共面波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)和為便于集成和測(cè)量的微帶饋電線。

表1 優(yōu)化后參數(shù)結(jié)果（單位：mm）

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖

輻射單元和阻抗匹配結(jié)構(gòu)被蝕刻在基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的上表面，采用介電常數(shù)為2.2，厚度為1.5mm的Rogers5880板子作為介質(zhì)板，計(jì)算出金屬化通孔的半徑和間距，確保最小的能量泄露。

此外，為了便于測(cè)量和易于與其余平面電路進(jìn)行集成，一個(gè)50Ω的微帶饋電線被加載在接地共面波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)內(nèi)導(dǎo)體的末端，為了實(shí)現(xiàn)平滑的過(guò)度，接地共面波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)的寬度與50Ω的饋電線的寬度相同。而為了實(shí)現(xiàn)更好的阻抗匹配和更小的能量泄露，微帶饋電線的寬度略小于理論計(jì)算值。

圖2給出了所提到天線的反射系數(shù)，圖3給出了天線在13.4GHz、13.7GHz和14.1GHz時(shí)的yoz面的方向圖，圖4給出了在主波束方向上天線的增益結(jié)果。從結(jié)果可以看到，天線的工作頻帶為13.4GHz～15GHz，相對(duì)帶寬達(dá)到11.2%，在工作頻帶內(nèi)，主波束的最大增益在4.94dBi～7.8dBi范圍內(nèi)波動(dòng)，天線波束指向?yàn)閜hi=90°，theta=±42°。

圖2 天線S11仿真結(jié)果

圖3 天線方向圖

圖4 天線主波束方向增益結(jié)果圖

為了更好地縫隙天線的雙波束特性，我們從縫隙結(jié)構(gòu)和電流分布兩方面給出了解釋。W形縫隙位于腔體的中央，縫隙結(jié)構(gòu)沿中心軸鏡像對(duì)稱，由于在腔體的上表面，電流由中心四周流動(dòng)，W形縫隙的兩條表切割不同方向的電流，導(dǎo)致了不同兩個(gè)鏡像波束的產(chǎn)生。在13.6GHz處的電流分布結(jié)果如圖5所示，電流主要集中在W形縫隙的兩個(gè)下頂點(diǎn)和兩個(gè)短邊縫隙內(nèi)，天線流向了不同的方向，進(jìn)而產(chǎn)生了兩個(gè)方向的波束。

圖5 天線在13.6GHz處的電流分布圖

3 參數(shù)縫隙

為了更好地理解W形縫隙的形狀參數(shù)對(duì)雙波束效果，以及W形縫隙的位置和接地共面波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)對(duì)天線阻抗帶寬的影響，本節(jié)縫隙了一些主要參數(shù)，具體的分析結(jié)果如下所示。

從圖6中可以看出來(lái)，當(dāng)饋電長(zhǎng)度linst為3mm的時(shí)候，天線僅在高頻處出現(xiàn)諧振點(diǎn)，隨著長(zhǎng)度的增加，低頻的諧振點(diǎn)逐漸被完全地激勵(lì)，當(dāng)linst長(zhǎng)度大于4.5mm的時(shí)候，天線的阻抗逐漸失配。當(dāng)縫隙距離腔體的邊沿距離ds較近的時(shí)候，天線未獲得匹配，當(dāng)ds=13mm的時(shí)候，天線展現(xiàn)出良好的匹配特性。當(dāng)w1變化的時(shí)候，天線的低頻諧振點(diǎn)以及匹配情況基本不變，但是隨著w1的增大，天線在高頻處的諧振點(diǎn)逐漸升高，天線的帶寬獲得展寬。

圖6 天線隨參數(shù)變化時(shí)反射系數(shù)結(jié)果

圖7 天線性能隨參數(shù)變化時(shí)結(jié)果

隨著rot和rot1的增大，天線的工作帶寬逐漸向高頻偏移，但是在rot及rot1等于60°的時(shí)候，天線獲得了最好的阻抗匹配結(jié)果。同時(shí)，方向圖的變化也證明了在60°時(shí)，天線具有更好的方向圖以及增益結(jié)果。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，利用其結(jié)構(gòu)的獨(dú)特的表面電流分布，在上表面開(kāi)W形縫隙，在較寬的頻帶范圍內(nèi)產(chǎn)生雙波束輻射特性，兩個(gè)波束關(guān)于天線中心完全鏡像對(duì)稱，最高增益達(dá)到7.8dBi。同時(shí)在腔體內(nèi)引入了接地共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，利用兩個(gè)橫向槽激勵(lì)腔體內(nèi)的模式，實(shí)現(xiàn)展寬阻抗頻帶的效果。為了更好地理解參數(shù)對(duì)天線性能的影響，對(duì)一些主要參數(shù)做了分析并給出研究結(jié)果。