多频段背腔式半模基片集成波导弯折缝隙天线*

谭立容，倪瑛，刘豫东，王抗美

(1.南京信息职业技术学院，南京 210023;2.南京工业职业技术学院，南京 210023;3.南京大学电子科学与工程学院，南京 210093)

1 引言

随着无线通信的快速发展，一个通信系统中常常集成了多个通信标准，通信设备往往需要支持多频段工作。为了减少电磁干扰，降低成本，在系统中采用支持多频段的天线是有必要的。近年来，出现了多种实现多频段天线的方法，如变形的单极天线［1－3］、改进的平面倒 F(PIFA)天线［4］和其他采用各种各样缝隙形式的缝隙天线［5－6］。文献［1］在传统平面U形单极天线上的U形金属面上蚀刻两个对称的T形缝隙，并在其介质板背面加矩形和T形微带金属条，实现了工作在 2.40～2.51 GHz、3.35～3.94 GHz 和 5.02～6.63 GHz 3个频率范围。文献［4］提出了一种共面波导馈电带有多个折叠缝隙的多频段平面倒F形天线，实现了在0.93 GHz、1.8 GHz、2.4 GHz 和5.2 GHz多个频段工作。在这些天线中，大部分是属于双向或全向辐射天线。

最近，为了消除向后辐射，基片集成波导(SIW)［7］和半模基片集成波导(HMSIW)技术［8］被应用于背腔式天线设计［9－10］，从而获得高性能的定向辐射天线。例如，文献［11］中采用HMSIW技术实现了一种增益约5 dBi的背腔式天线，但这种天线仅工作在单频段。从目前国内外公开文献来看，基于半模基片集成波导技术的多频段天线研究还很少。

本文采用半模基片集成波导(HMSIW)技术设计并实现了一种多频段背腔式定向辐射天线。经仿真和实验结果证明，优化设计后的天线能同时工作在5.7/10.7/11.9/12.5/13.1 GHz这 5 个频段，具有体积小、便于和平面电路集成、性能好的优点。

2 天线原理与设计

当双向或全向辐射天线需要安装在某个金属平台上时，金属平台会改变天线辐射特性，向着平台的辐射可能影响系统其他电路的性能，带来严重的电磁兼容问题。背腔式天线是一种采用金属腔或金属平面来抑制某一个方向的辐射，以实现单向辐射的天线。半模基片集成波导是在SIW基础上提出的一种小型化结构，与基片集成波导相比，它能减少将近一半的尺寸而不恶化基片集成波导的性能。如图1所示，通过在双面敷铜板设有两排正交的金属化通孔阵列，让金属化通孔和介质基片上的覆铜连通，当金属化通孔的间距dp远小于波长，间距dp和孔径d之比在1～2.5之间时，构成了一个半模基片集成波导谐振腔。在天线介质基片板顶面的覆铜面蚀刻弯折缝隙实现对外辐射，通过一段宽度渐变的微带线实现馈电。

图1 天线结构示意图Fig.1 Schematic of antenna

天线的谐振频率由半模基片集成波导谐振腔和缝隙的尺寸、位置等共同决定。当不考虑缝隙的影响时，半模基片集成波导谐振腔的半模TEmnp频率和对应基片集成波导谐振腔的全模TEmnp频率是相同，可由公式(1)算出［9］。和全模基片集成波导谐振腔谐振频率公式不同之处在于，原基片集成波导谐振腔公式中的宽度应取为半模基片集成波导谐振腔宽度的2倍。

公式(1)中，在z轴方向由于天线厚度h远小于波长，故p等于零，若要谐振腔内有电磁波存在，m和n都不能等于零。当m、n取不同值时，对应半模基片集成波导谐振腔的不同模式，有多个谐振频率。故可利用半模基片集成波导谐振腔的多模式工作特性，实现天线多频段特性。

除了半模基片集成波导谐振腔的尺寸参数等直接影响该天线的性能，天线顶部覆铜面上蚀刻的弯折缝隙也具有关键作用。它可起到改变天线电流和场分布，从而改善天线的阻抗匹配的作用，尤其是低频段的阻抗匹配。谐振腔和缝隙的影响可以通过全波仿真来分析调整。

在天线实际设计过程中，先根据多频段天线所要工作的最低频段中心频率fmin，通过公式(2)估计半模基片集成波导谐振腔的宽度:

再采用全波仿真软件HFSS建立天线模型，对如何确定弯折缝隙的长宽、弯折个数和位置进行分析研究。在设计过程中，以弯折缝隙在y轴方向长度要短从而缩小天线总长度为原则，来调整弯折缝隙物理参数。

应用软件HFSS对该天线结构尺寸进行仿真优化后，天线的总长度 B和总宽度 A分别为38.0mm、18.4mm，图1中所标注的天线尺寸参数经优化设计后为(单位:mm):Lt=5.5，Lc=18.0，Lx=5.9;d=1.0，dp=1.5;Sx=7.0，Sy=3.0，St=2.0，Sg=8.0，Sw=1.0;Cw=3.5;W=15.9;L=32.0。仿真模型中已经人为地加入58mm×75mm金属面用来模拟金属平台。

图2给出了在其他参数一样条件下，所设计多频段缝隙天线对比不加弯折缝隙和采用同样长度的直条缝隙时的反射系数S11参数随频率变化图。仿真结果显示有了弯折缝隙后，天线在低频段5.78 GHz的回波损耗由不加缝隙和采用直条缝隙时的零点几分贝变到加弯折缝隙的9.8 dB，本设计的匹配性能更好。

图2 仿真得到的S参数Fig.2 Simulated S11

图3显示了当其他参数不变时，半模基片集成波导的上表面金属层所开弯折缝隙的宽度Sx和长度Sg对天线S11参数的影响。可见，当Sx和Sg增大(即弯折缝隙总的长度变长)时，天线的谐振频率向低频移动，反之向高频移动。由于改变Sx或Sg几乎有同等效果，故对天线总长度有限制时，可以通过只改变弯折缝隙的宽度Sx达到调节频率的目的。

图3 弯折缝隙的宽度Sx和长度Sg对天线的影响Fig.3 The effect of Sxand Sgon antenna

3 实验结果

基于上述优化设计，采用厚度为1mm的国产F4BM 基板(εr=2.2，tanδ=0.001)制备了该多频段缝隙天线，如图4所示。

图4 实际制备的天线照片Fig.4 Photo of the fabricated antenna

图4中的天线1是对应以上天线尺寸的实物照片，尺寸大小18.4mm×38.0mm，天线2是为了验证调整弯折缝隙尺寸参数能减小天线尺寸。使用矢量网络分析仪PNA8363测试了这两个多频段背腔式HMSIW缝隙天线输入端的反射系数，且在微波暗室里测试了天线1方向图，测试中将天线安装在了58mm×75mm金属板上。

图5给出了天线1和天线2测量结果，天线1的测量结果和图2的仿真结果吻合较好。从测试结果可看到，两天线都工作在C/X频段，而天线1尺寸更小。表1列出了天线1在各个频段的反射系数、天线效率、增益等参数。由图表可见，天线1能同时工作在 5.7/10.7/11.9/12.5/13.1 GHz 这5 个频段，天线1在这 5个频段满足反射系数 S11＜－10dB(对应VSWR≤2)的带宽对应依次为230/180/300/230/290MHz，能满足常规C频段和X频段应用需求。

图6为测得的各频点E面和H面方向图，该图显示天线在各谐振点具定向辐射特性，除了在10.72 GHz的方向图在0°辐射较弱之外，其他频点在0°方向的前后比最小为13.5、最大为23.6。

图5 天线S11参数的测试结果Fig.5 Measured S11of antenna

图6 天线归一化辐射方向图Fig.6 Normalized radiation patterns

表1列出了各谐振点增益最小为6.76 dBi(11.98 GHz)、最大为9.41 dBi(13.12 GHz)。和文献［12］中的多频段双面印刷偶极子天线(尺寸75mm×50mm，满足 S11＜－10dB 的谐振点 6.68/8.88/9.56/10.61 GHz 对 应 增 益 分 别 为3/4.1/2.9/3.5 dBi)相比，该天线1 的面积是其 18.6%，增益更高，并可以用于金属平台，实现了小尺寸的C/X频段多频点工作天线。

表1 天线1的参数Table 1 Parameters of antenna 1

4 结论

本文设计并实现了一种能用在金属平台上、易和平面电路集成、低成本、尺寸小的背腔式半模基片集成波导弯折缝隙天线，该天线能工作在多个频段，增益高，属于定向辐射天线，并可以通过调整弯折缝隙尺寸参数来减小天线尺寸，可应用于WLAN(IEEE 802.11a)、WiMAX(IEEE 802.16)、遥感遥测等领域，已在项目中实际应用。不足之处是，天线不是在所有工作频点的定向性都好，有待进一步提高。

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