一种X波段基片集成波导宽带角锥喇叭天线

肖阳 汪晓光

摘 要：当今通信频段越来越宽，在有限空间里安装多个天线即增加成本又浪费资源，因此宽带甚至超宽带天线设计已成为天线设计领域的一个重要研究方向，同时小型化、集成化已成为当今发展趋势，因此设计宽带小型化天线已成为热点。本文就此提出了一种基于基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide，SIW）工作在X波段的新型角锥喇叭天线，采用电磁场仿真软件 Ansoft HFSS 15 对所设计的天线进行仿真，结果表明该天线在8 GHz ～ 12GHz 范围以内具有回波损耗优于-15 dB。该天线具有体积小，宽频带，结构简单的优点。

关键词：角锥喇叭天线；基片集成波导（SIW）；宽带；小体积；质量小；低成本

随着信息时代的到来，无线通信和探测技术不断发展，天线一直是整个信息系统中十分重要的设备之一。喇叭天线作为孔径天线的一种使用范围很广。传统喇叭天线虽然具有较好的增益和方向性，但是由于其体积过大以及结构不易集成等原因使得它在现代射频电路系统中的应用受到了极大的限制。一种新型传输线即基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide，SIW）的提出为解决这一问题提供了方向，这种传输线不仅集合了传统传输线的优点，还具有体积小、重量轻、成本低、结构简单等优点，因此基片集成波导成为一种很好的设计平台，在微波毫米波无源器件的设计中获得广泛应用。在微波毫米波波段，由于微波频率高，波长很短，以线天线为基础的天线系统已不再适用。而由于微波的与光波同为电磁波，并具有一些光波性质，类似于光学系统的一些天线设备得到了应用。这类天线通常是一个电磁场已知的开口面。口径天线是各类宽带天线中能获得较高增益的一种天线[1-3]。

1 SIW 结构的设计

SIW的结构如图1所示，设置于介质内的且贯穿于上下两层金属板的两排金属化通孔等效于标准金属波导的侧壁，传输特性与矩形波导极为相似。标准波导的TM模的电流在侧壁沿电磁波传播方向传导，用金属化通孔所模拟的波导侧壁破坏该电流的连续性，因此SIW中不能传播TM模式，只能传播TE模式。为避免能量从通孔间泄漏，孔间距p与孔直径d需要满足[4]：

2 天线设计

喇叭天线有很多参数，可以应用这些参数来设计各种最佳喇叭。本文选用最佳增益天线法，即在满足指标前提下，使喇叭几何尺寸量最小。要得到最佳增益天线，H 面扇形喇叭应该满足的尺寸关系为：

E 面扇形喇叭应该满足的尺寸关系为：

角锥喇叭要达到最优尺寸关系，喇叭长度与口径尺寸需同时满足式（3） 和式（4） 。最优角锥喇叭天线的增益为：

其中εap 为喇叭天线的口径效率[4-6]。

为了得到天线的最佳尺寸[68]，采用Ansoft HFSS 15 对天线进行了仿真计算。天线的仿真模型如图2所示。经过多次优化得到最优的天线结构参数w1=15.24mm，l1=7.5mm，d=0.8mm，p=1.5mm，w1为波导宽边，l1为波导长度，d为通孔半径，p为通孔间距，基板厚度为1mm，铜层厚度为0.0175mm。w2=18mm，h2=30mm，l2=20mm，w2为角锥喇叭口宽边，h2为角锥喇叭口窄边，l2为角锥喇叭长度。为了进一步扩展带宽，我们采用切割喇叭口上的铜层，采用的是二次函数曲线切刮铜层，改变后的天线模型如图3所示。

3 天线设计结果

本文采用基于有限元分析的计算电磁仿真软件Ansoft HFSS 15 对天线进行仿真。介质基板采用Polyflon CuFlon 基板，介电常数为2.1，损耗正切为0.00045，基板厚度为4mm，上下两面均覆有铜层，覆铜厚度为0.0175mm。从图3中可以看出天线的回波损耗在8GHz～12GHz频段内优于12dB，表明天线在X波段具有良好的频率特性，从图4中可以看出，切割铜层过的天线的回波损耗在8GHz～12GHz频段内优于15dB，与未做改变的天线相比，在相同尺寸下，带宽更宽。

4 结论

本文提出了一种工作在X波段的基于SIW的角锥喇叭天线。利用电磁仿真软件Ansoft HFSS 15 对天线进行仿真优化。该天线具有很高的阻抗带宽，并在此基础上对该天线进行改進，即切割喇叭口端面上的铜层，得到的天线回波损耗在8GHz～12GHz频段内优于15dB，具有良好的频率特性。

参考文献：

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