基片集成波导双极化环形缝隙天线研究

雷经纬，杨雪霞



基片集成波导双极化环形缝隙天线研究

雷经纬，杨雪霞

（上海大学 通信与信息工程学院，上海 200072）

基于基片集成波导(SIW)结构，提出了一种具有高端口隔离度的双极化缝隙天线。天线正面蚀刻一个直径约为0/2的环型缝隙作为辐射源，工作于圆形SIW谐振腔的主模TM11；背面中心位置蚀刻微带交指电容，使SIW腔体电尺寸减小了约7%；采用一对正交微带线分别由两个端口为天线馈电。所设计的天线谐振在5.8 GHz频段，–10 dB阻抗带宽为1.7%，最大增益为8.5 dBi，端口隔离度高于35 dB。测试结果表明，该双极化天线具有高隔离度、高增益的特点，可用于MIMO等无线通信系统中。

双极化；基片集成波导；缝隙天线；隔离度；交指电容；交叉极化

双极化天线实现两路极化正交信号的同时收发，在不增加天线数量的前提下可提升通信容量，提高无线通信系统的抗干扰能力。这些特性使双极化天线适应无线通信的发展趋势，在多入多出(Multiple-in-Multiple-Out, MIMO)系统和无线局域网(Wireless Local Arear Network, WLAN)中具有应用价值。

无线通信系统中的双极化天线需具有高端口隔离度和低交叉极化电平，目前所提出的平面双极化天线大多为微带天线[1-4]，通常用双馈点激励两路正交极化波，而采用多馈点[1]、缝隙耦合馈电[2]、多层介质板[3]和表面加容性负载[4]等方法，能使天线端口隔离度达到23 dB以上，阻抗带宽相对较宽，但也存在结构复杂、剖面过高等缺陷。基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide, SIW)与微带天线一样易于集成，有低损耗、低剖面、不易被干扰等优点，也可用于制作普通微波波段缝隙天线[5]。由于SIW腔体具有多模特性，在不同模式下设置辐射缝隙可设计性能良好的SIW双极化天线[6-8]，但此类双极化天线尚存在隔离度不高、增益偏低、交叉极化难抑制和阻抗带宽较窄等缺点。

基于以上研究，本文提出了一种基于SIW的双极化天线。天线采用圆形SIW腔体的主模TM11和环形辐射缝隙，用较简单的结构实现了天线在端口隔离度、增益和交叉极化等方面性能的提升，且天线仅需单层介质板加工，易与其他微波器件相集成。在天线背面加载微带交指电容，减小了SIW腔体电尺寸。根据仿真结果进行实物加工和测试，并分析了实验结果的误差原因。

1 天线结构与设计原理

天线正面和背面结构分别如图1(a)和(b)所示。正面为金属地，其上蚀刻一个环形辐射缝隙，缝隙环上每间隔90°设置一块金属短路片；背面围绕圆心蚀刻有四组微带交指电容结构，每组交指电容的长度为c，宽度为c。圆形SIW腔体半径为sub，由直径为的金属通孔排列构成，其中通孔间距为，满足/≥0.5且/0≤0.1。采用一对特性阻抗为50 Ω的正交馈线为SIW腔体馈电，线宽f，线长f。天线的谐振频率点由SIW谐振腔和环形辐射缝隙的物理尺寸共同决定[9-11]。SIW谐振腔工作于TM模时，其设计尺寸满足[9]：

辐射缝隙内径s和宽度s满足[11]：

（2）

式中：k为TM模对应的截止波数；s为介质板的有效介电常数，满足s=2r/(1+r)；为真空中光速。为了使天线获得最高辐射效率，环形辐射缝隙与SIW腔体应谐振在同一设计频率上。

(a) 正面       (b) 背面

式(1)表明，SIW工作模式决定了腔体设计尺寸和天线表面电场分布。本文选取TM11模为SIW的工作模态，根据TM11模式场分布的特点，当环形辐射缝隙的直径约为0/2时，上下缝隙间的电场可等效为一对同相面磁流源，相当于一个二元阵，可使天线增益高于单缝SIW天线[12]。其次，当SIW工作在TM11模式时，两个端口所激励的辐射方向图E面恰好相互正交，能将两端口的能量耦合降到最低，使天线具有高隔离度的特点。此外，由于TM11模式在主平面上无交叉极化辐射，且SIW的工作波长大于高次模TM21对应的截止波长，对高次模的抑制更强，故天线在TM11模式下可呈现低交叉极化的特性[13]。

交指电容(Interdigital Capacitor, IDC)是一种周期性结构，其单元结构如图2(a)所示，与微带天线设计相结合，能有效减小天线的电尺寸或改善天线的交叉极化性能[14-15]。本文所设计天线的背面蚀刻了四组环形排布的交指电容，结构如图2(b)所示，通过改变指长c或交指个数能调节等效电容值，用于对天线中心谐振频点进行调节、减小SIW谐振腔的电尺寸。

2 天线仿真与分析

2.1 缝隙结构的设计与工作模式的选择

为了确定SIW的工作模式和缝隙结构，用HFSS对图3中的三种天线结构进行仿真分析。结构对称的缝隙能使天线辐射两路正交极化波，故天线1#、2#、3#均采用环状缝隙结构，其中天线1#、3#在缝隙中设置了四块金属短路片，以保证天线工作于TM11模，而2#则采用圆环(Loop)缝隙；此外，天线2#、3#均设置在圆形SIW腔体当中，而1#则去除了SIW金属通孔结构。

天线1#       天线2#      天线3#（最终方案）

通过调整尺寸参数，使三种天线均谐振在5.8 GHz，E面方向图、21仿真结果分别如图4所示。从图4(a)可见，天线1#、3#的场分布图相似，3#的SIW结构使增益提升了约2 dBi，这是由于SIW通孔结构有效减小了天线的表面波损耗，并将能量束缚在特定区域内，天线的辐射性能得以提升。而天线2#中Loop缝隙结构使场分布更接近SIW的TM10模，可视为一个磁流圆环，其方向图与单极子天线类似，法向存在凹陷。由图4(b)可见，工作于TM11模的天线1#、3#隔离度大于TM10模的天线2#，其中天线3#的SIW结构能使TM11模的场分布更均匀，因而端口隔离度更高。

(a) E面方向图仿真结果

(b)21仿真结果

图4 不同结构对天线性能的影响

Fig.4 Influence of different structures on antenna’s characteristics

图5为天线3#的端口一馈电时的瞬时电场分布图。环型缝隙设置在电场变化最迅速的位置，使缝隙两侧存在显著的电压差，环形缝隙间形成了向的电场，根据等效原理，环形缝隙的上下两部分可等效为一对同相分布的向面磁流，间距约为0/2，可视为一对二元缝隙阵，同相电磁波在辐射远区叠加，天线的增益随之提高。馈线呈正交状设置，使另一端口处于TM11模的电场分布最弱区域，两端口之间能量耦合最小，故天线的端口隔离度较高[1]。综上所述，天线3#的结构具有高增益、高端口隔离度的特点，为最终选用的设计方案。

2.2 天线谐振中心的调谐

用HFSS对腔体尺寸sub、缝隙半径s、环形缝隙中金属短路片尺寸s和交指电容长度1等进行仿真分析，结果如图6所示。从图6(a)、(b)、(c)可见，在同样步进变化下，天线的谐振频率对s和s的变化更为敏感，sub对谐振中心的影响较小；这是由于天线辐射结构为环形缝隙，而SIW结构并非辐射源，因此当改变s或s时，缝隙周长的变化使谐振中心产生的偏移更为明显。

图6(d)为天线11随交指电容的变化。由于交指电容的长度1决定了它的等效电容值，当1变长时，天线总输入阻抗容性随之上升，因此谐振频率随之下降，与图6(d)中的仿真结果一致。加载了交指电容结构的天线谐振频点下移了200 MHz，腔体电尺寸可减小约7%。

2.3 介质板厚度的选择

表1为介质板厚度分别取1.5，2和3 mm时天线的性能对比。介质板厚度与隔离度、交叉极化、带宽呈正相关，与主极化增益呈负相关。这是由于的增加使电磁波传输空间增大，导体损耗和介质损耗随之减小，故在一定程度内可以使天线辐射效率和相对带宽增大；但另一方面，的增加使表面波迅速增强，不利于天线的辐射[13]。可见，SIW天线的介质板厚度对端口隔离度、交叉极化等双极化天线的关键性能均有影响，需根据具体应用要求选用相应的厚度，本文选取=3 mm。

(a)11随腔体半径sub的变化

(b)11随缝隙半径s的变化

(c)11随金属短路片宽度s的变化

(d)11随交指电容长度1的变化

图6 天线尺寸参数对11的影响

Fig.6 Influence of design parameters of the antenna on11

表1 介质板厚度对天线性能的影响

Tab.1 Influence of substrate thickness on antenna’s characteristics

经过HFSS的仿真优化，确定天线的各尺寸参数分别为：sub=16.4 mm，=2.7 mm，=2 mm，s=12.5 mm，=3.4°，s=0.7 mm，s=0.8 mm，=0.8 mm，f=2.5 mm，f=9.5 mm，c=1.6 mm，c=2.7 mm，c=2.6 mm。仿真结果如图8(a)所示，天线的相对阻抗带宽约为1.7%（5.75~5.85 GHz），在工作频带内端口隔离度均大于35 dB，主极化增益为8.5 dBi，交叉极化为–30 dB。

3 天线测试结果与讨论

根据以上仿真结果设计并加工了天线，采用聚四氟乙烯材质作为介质板，相对介电常数为r=2.2，损耗角正切为0.0007，长和宽分别为sub=sub=55.8 mm，厚度=3 mm。天线正反面的加工实物图如图7所示。

图7 天线实物图

用HP 8722ES矢量网络分析仪对天线参数进行测量，结果如图8(a)所示，由于两端口结构完全对称，参数具有互易性和对称性，满足11=22，21=12。天线实测谐振中心为5.74 GHz，较之仿真结果存在约60 MHz的偏移。测量结果显示介质板的实际厚度为2.90 mm，略小于3 mm的设计厚度。经验公式表明[13]，天线介质板厚度的减小将改变辐射缝隙的等效导纳值和介质板等效介电常数，从而使天线谐振中心发生偏移。若将这一误差考虑在内，则天线11仿真与实验结果大致吻合，如图8(a)所示，因此可以确定该频偏主要是由厚度加工误差所致。在工作频带内实测21均小于–31 dB，略高于仿真值。天线增益的仿真和测试结果如图8(b)所示，实测主极化增益为8.5 dBi，E面交叉极化在边射方向为–25 dB，与仿真结果相符。总体而言天线具有较好的工作性能。

(a)参数

(b)方向图

图8 天线仿真和测试结果

Fig.8 Simulation and measurement results of the antenna

4 结论

利用圆形SIW结构，设计了一副工作于5.8 GHz的双极化缝隙天线。SIW谐振腔的TM11模与环形辐射缝隙相结合是天线具有高端口隔离度和高增益的主要原因。天线背面加载了微带交指电容以减小腔体电尺寸。对天线进行实物加工，测试结果显示工作频带内端口隔离度均大于31 dB，主极化增益达8.5 dBi，E面交叉极化仅为–25 dB，但天线谐振频点有所偏移，本文对这一误差的原因做出了分析。天线可采用单层介质板进行加工，具有结构紧凑、易于集成的特点，在WLAN或MIMO通信当中有一定的工程应用价值。

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（编辑：陈渝生）

Dual polarized annular slot antenna based on substrate integrated waveguide

LEI Jingwei, YANG Xuexia

(School of Communication and Information Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

Based on the substrate integrated waveguide structure, a high isolation dual-polarized antenna was presented. On the front side of the antenna, an annular slot with the diameter of0/2 was etched and acted as the radiator. TM11was selected as the operation mode for the circular SIW cavity. The interdigital capacitors at the center of the back side reduced the electrical size of the cavity by approximately 7%. The antenna was fed by two ports respectively through a pair of orthogonal microstrip lines. The designed antenna operates on the band of 5.8 GHz with the –10 dB impedance bandwidth of about 1.7%. The simulated maximum gain is 8.5 dBi and the ports isolation is higher than 35 dB. The experiment result shows that the proposed dual polarized antenna operates with high isolation and high gain, which is suitable for MIMO wireless communication system.

dual polarization; substrate integrated waveguide; slot antenna; isolation; interdigital capacitors; cross polarization

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.04.019

TN826

A

1001-2028（2017）04-0096-05

2017-01-16

雷经纬

特种光纤与光接入网省部共建重点实验室资助项目 (No.08DZ2231100)

杨雪霞（1969－），女，甘肃民勤人，教授，博士，研究方向为天线理论技术，E-mail: yang.xx@shu.edu.cn ；雷经纬（1992－），女，广西南宁人，研究生，主要从事基片集成波导天线研究，E-mail: kingvey@live.com 。

网络出版时间：2017-04-11 10:49

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170411.1049.019.html