60 GHz SIW 縫隙耦合饋電微帶貼片天線設(shè)計(jì)

孔令布，王一博

（湖南信息學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

0 引 言

用于60 GHz通信的頻段自由空間損耗達(dá)到15 dB/km，而且該頻段內(nèi)的介質(zhì)損耗、表面波損耗、輻射損耗十分嚴(yán)重。如何設(shè)計(jì)出具有高增益、寬頻帶、高效率的天線一直是科研工作者面臨的難題[1]。近年來人們提出不同類型的毫米波天線[2-6]，以上天線的增益受到饋電網(wǎng)絡(luò)的影響。微帶線組成的饋電網(wǎng)絡(luò)剖面低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在微波的低頻段，但是微帶線的傳輸損耗隨著頻率的增加而增加，而且微帶線自身的不良輻射也會(huì)降低天線在毫米波波段的性能。與微帶線相比，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)組成的饋電網(wǎng)絡(luò)具有較低的傳輸損耗，但制造成本高、體積笨重、難以集成等特點(diǎn)不利于大規(guī)模的生產(chǎn)?；刹▽?dǎo)（Substrate Integrated Waveguide, SIW）具有平面結(jié)構(gòu)、制造成本低、易于集成、低損耗等優(yōu)點(diǎn)，因此受到廣泛的關(guān)注。

文獻(xiàn)[7-9]提出了基于SIW 單層縫隙天線，從一端通過共面的饋電網(wǎng)絡(luò)饋電，這樣就增加了天線的面積，而且饋電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的不良輻射會(huì)使天線的旁瓣電平惡化，饋電網(wǎng)絡(luò)傳輸損耗較大導(dǎo)致增益降低。低溫共燒陶瓷技術(shù)廣泛地應(yīng)用在毫米波天線中，文獻(xiàn)[10-13]設(shè)計(jì)了采用低溫共燒陶瓷技術(shù)的毫米波天線，并且具有良好的性能，但是與多層PCB 制造技術(shù)相比，工藝復(fù)雜、昂貴、材料損耗大，導(dǎo)致輻射效率低。

本文設(shè)計(jì)了一種60 GHz SIW 縫隙耦合饋電微帶貼片天線，天線采用雙層基片結(jié)構(gòu)，底層為通過矩形縫隙耦合饋電的SIW 結(jié)構(gòu)，頂層為圓形與圓環(huán)貼片結(jié)合形成的輻射貼片。這種雙層的天線可以采用低成本多層PCB 工藝制造。通過優(yōu)化圓環(huán)與圓形貼片的尺寸形成兩個(gè)頻率接近的諧振點(diǎn)，通過優(yōu)化饋電縫隙長(zhǎng)度和寬度增加天線的阻抗帶寬。在實(shí)際測(cè)試過程中設(shè)計(jì)了天線到傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)的轉(zhuǎn)接口，并且進(jìn)行了實(shí)際的加工與測(cè)試。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該天線阻抗帶寬為43%（50～76 GHz）。天線實(shí)測(cè)S參數(shù)與仿真設(shè)計(jì)吻合較好，交叉極化低，剖面低，容易和平面微波電路集成構(gòu)成高增益、寬頻帶的微帶貼片天線陣列，可廣泛地應(yīng)用在高速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱?chǎng)合。

1 天線設(shè)計(jì)與原理分析

1.1 天線模型

首先設(shè)計(jì)了一款圓形微帶貼片天線，然后對(duì)其改進(jìn)，天線結(jié)構(gòu)演變過程如圖1 所示。圓形貼片半徑R2可由式（1）、式（2）計(jì)算。

圖1 天線結(jié)構(gòu)演變過程

式中：fnm代表圓形貼片諧振頻率；c 代表光速；代表n階貝塞爾函數(shù)導(dǎo)數(shù)的第m個(gè)零點(diǎn)；R2代表計(jì)入邊緣效應(yīng)后的等效半徑；R′2代表實(shí)際的物理尺寸；h為介質(zhì)層厚度。

為了減小電磁波在SIW 中的泄露，半徑R、間距S需要滿足以下條件：

式中λg為波導(dǎo)波長(zhǎng)。

天線結(jié)構(gòu)如圖2 所示，該天線由兩層RT duroid 5880 介質(zhì)板和三層金屬組成。下層介質(zhì)板構(gòu)成SIW 饋電網(wǎng)絡(luò)，在下層介質(zhì)板頂部的金屬層蝕刻矩形縫隙，微帶貼片位于頂層介質(zhì)板之上。本文使用的RT duroid 5880 介質(zhì)板的相對(duì)介電常數(shù)εr=2.33，損耗正切值為0.001 2，厚度為0.787 4 mm。通過HFSS 軟件優(yōu)化，天線參數(shù)如表1 所示。

表1 天線尺寸 mm

圖2 天線結(jié)構(gòu)圖

1.2 天線結(jié)構(gòu)分析

使用HFSS 軟件對(duì)圖1 中的兩種不同結(jié)構(gòu)的天線建模仿真，仿真結(jié)果如圖3 所示。從圖3 中可以看出，圓形微帶貼片天線帶寬為55.5～66 GHz。對(duì)結(jié)構(gòu)1 中的圓形微帶貼片開圓環(huán)形槽，使天線帶寬增大為49～73 GHz，仿真結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)1 到結(jié)構(gòu)2 的演變可以有效地?cái)U(kuò)展天線的帶寬。

圖3 兩種不同天線的S11 參數(shù)

使用HFSS 軟件仿真分析部分參數(shù)對(duì)天線性能的影響，具體研究參數(shù)包括：W2縫隙耦合長(zhǎng)度、L2耦合縫隙耦合寬度、R1圓形貼片半徑對(duì)天線性能的影響，仿真結(jié)果如圖4～圖6 所示。

圖4 不同L2 仿真結(jié)果

圖5 不同W 2 仿真結(jié)果

圖6 不同R1 仿真結(jié)果

如圖4 所示隨著耦合縫隙寬度L2的增加，fl低頻諧振點(diǎn)向左移動(dòng)即向低頻移動(dòng)，高頻諧振點(diǎn)fh向右移動(dòng)即向高頻移動(dòng)，同時(shí)工作頻帶內(nèi)駐波惡化，阻抗帶寬減小。圖5 中隨著W2的增加，天線的低頻諧振點(diǎn)fl向右移動(dòng)即向高頻移動(dòng)，高頻諧振點(diǎn)fh向左移動(dòng)即向低頻移動(dòng)，同時(shí)工作頻帶內(nèi)駐波改善，阻抗帶寬增加。由縫隙耦合微帶天線的工作原理可知，耦合的縫隙和主輻射貼片共同決定一個(gè)諧振點(diǎn)，因此可以通過改變耦合縫隙尺寸改善天線的帶寬。圖6 中隨著圓形貼片半徑的增大，低頻諧振頻率fl、高頻諧振頻率fh幾乎不變，但是工作頻帶內(nèi)駐波惡化、帶寬減小。這是因?yàn)殡S著圓形貼片半徑的增大，其在圓環(huán)形貼片上激勵(lì)出高階模而非TM11 模，因此可以通過調(diào)整圓形貼片半徑R1增加天線的帶寬。綜合以上分析得到天線的最優(yōu)參數(shù)：W2=1.8 mm，L2=0.25 mm，R1=0.3 mm。

1.3 帶寬實(shí)現(xiàn)原理分析

為了擴(kuò)展天線的帶寬，最關(guān)鍵的是要在圓形和圓環(huán)貼片同時(shí)激勵(lì)出TM11 模式。如果采用傳統(tǒng)的同軸饋電方式，圓形貼片只能在圓環(huán)貼片上微弱地激勵(lì)出更高階模式而非TM11 模式，此時(shí)對(duì)于改善天線的帶寬并不顯著。主要的原因在于圓形的物理尺寸太大，無法在圓環(huán)形貼片上激勵(lì)出TM11 模[14]。本文采用SIW 縫隙耦合饋電，因此可以通過調(diào)節(jié)圓形貼片的尺寸解決以上問題。天線的電場(chǎng)分布如圖7 所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)圓環(huán)與圓形貼片均工作于TM11 模式。

圖7 電場(chǎng)分布

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)際測(cè)試天線時(shí)測(cè)試設(shè)備需要采用標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)（3.76 mm×1.88 mm）作為連接接口，所以設(shè)計(jì)從SIW 到標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)[15]，如圖8 所示。天線采用普通激光印刷電路板工藝，通過基板四周的定位孔進(jìn)行連接，天線實(shí)物如圖9 所示。

圖8 SIW 到標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

圖9 天線實(shí)物

天線實(shí)測(cè)和仿真的反射系數(shù)與增益如圖10 所示，天線的仿真曲線與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合。

圖10 天線仿真和實(shí)測(cè)的反射系數(shù)與增益

仿真結(jié)果表明，天線-10 dB 阻抗帶寬為40%（49～73 GHz），實(shí)際測(cè)量結(jié)果為43%（50～76 GHz）。仿真的天線增益范圍為5.75～6.75 dBi，實(shí)際測(cè)量的增益范圍為4.57～6.75 dBi，仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果有部分差異，這是由電纜損耗、測(cè)量誤差以及復(fù)雜的外部環(huán)境造成的。

為了滿足實(shí)際應(yīng)用的要求，天線在頻帶范圍內(nèi)應(yīng)該在邊射方向形成最大輻射，而且最大輻射方向保持相對(duì)穩(wěn)定。在頻帶范圍內(nèi)選取3 個(gè)頻點(diǎn)，分別為50 GHz、60 GHz、70 GHz。對(duì)其遠(yuǎn)場(chǎng)使用HFSS 軟件仿真，結(jié)果如圖11 所示。從圖中可知天線方向圖在49～73 GHz 頻段內(nèi)對(duì)稱性好、方向圖穩(wěn)定、交叉極化均低于-40 dB，因此天線的輻射性能較好。

圖11 天線方向圖

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種60 GHz SIW 縫隙耦合饋電微帶貼片天線，同時(shí)在圓環(huán)與圓形微帶貼片激勵(lì)出TM11 模式，有效地?cái)U(kuò)展了帶寬，達(dá)到了43%（50～76 GHz）。仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的天線交叉極化低、方向圖穩(wěn)定，具有良好的輻射性能，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、體積小，可以直接擴(kuò)展為高增益、寬帶寬微帶貼片天線陣列，具有廣闊的應(yīng)用前景。

注：本文通訊作者為孔令布。