一种基于HMSIW的双频段缝隙天线设计

董湘龙 ，张 文 ，耿鸿健 ，黄 旻

（1.核工业二三〇研究所，长沙 410007；2.陆军步兵学院二大队，南昌 330103；3.深圳市沃土科技有限公司，深圳518109）

波导缝隙阵列天线因其结构紧凑、馈电网络与辐射一体化，且具有高增益、窄波束、超低副瓣等特性，在雷达和通信系统中应用广泛；但其尺寸相对较大，加工成本高，且不易与微波毫米波平面电路集成，极大地限制其实际应用。微带天线具有平面电路结构，易与微波毫米波电路集成，加工设计简便；但其传输损耗大，功率容量小，也不适于全面推广[1-2]。而半模基片集成波导HMSIW（half-mode substrate integrated waveguide）却很好地克服这些缺陷[3-4]；HMSIW不仅继承了波导的低损耗、高Q值、大功率容量的优点，而且保留了基片集成波导SIW（substrate integrated waveguide）低轮廓、易集成、低成本及高可靠性的优势。基于HMSIW的缝隙阵列天线，相比于微带、SIW等传输线天线，具有更低的插损，且相对于SIW其尺寸缩减近50%，便于微波毫米波电路系统高集成、小型化的发展[5]。

本文通过等效电路模型分析HMSIW单条横向缝隙的谐振特性，推导起谐振设计公式，并将其应用于HMSIW双频缝隙谐振天线的结构参数设计，利用HFSS进行了仿真优化，在频点5.60 GHz和7.90 GHz实现高增益的辐射特性。

1 天线结构与理论

1.1 基片集成波导结构

如图1所示，基片集成波导内部传输的主模为TE10模，其传播常数及辐射损耗由w、s、d决定。基片集成波导可以等效为传统的介质填充矩形波导，所以对SIW的分析就可以用等效的介质填充矩形波导来替代。

图1 基片集成波导结构示意Fig.1 Schematic diagram of substrate integrated waveguide structure

基片集成波导和矩形波导之间的等效关系式表示如下[6-7]：

其中：

1.2 半模基片集成波导缝隙天线理论与设计

HMSIW的传播特性与矩形波导相近，根据式（1）和式（2）可确定工作在TE10半膜基片集成波导的宽度WHMSIW，通过矩形波导某一模式波型的等效阻抗公式（3）来计算相应宽度的HMSIW的等效阻抗：

对于SIW和矩形波导传输的主模模式TE10，其等效阻抗计算公式为

式中：Zc为该模式的特性阻抗；h和W分别为矩形波导的高和宽；η=377/εr（）1/2为波阻抗；λ为工作波长[7]。

设计的基于HMSIW的谐振频率为5.6 GHz和7.9 GHz，双频段缝隙天线的结构如图2所示，波导谐振腔是由上下表面金属覆铜的介质基板构成，一侧边开放，而另一侧边则是均匀排列的金属化通孔。该天线选用h=1 mm厚度的Rogers 5880介质基板，其相对介电常数（εr）为 2.2，损耗切角（tanδ）为0.001。

图2 HMSIW双频缝隙天线结构示意Fig.2 HMSIW dual-band antenna structure diagram

HMSIW的主要传输模式为TE模电磁波，电磁波在其内部的场分布与传统矩形波导、SIW中TE模式分布类似。因此可利用波导等效电路模型来研究HMSIW缝隙阵列天线的谐振特性。HMSIW缝隙阵列天线由一系列蚀刻的缝隙单元组成，通过分析其单元传输性能，推导出双频谐振缝隙天线结构的初始参数，利用HFSS仿真对结构优化，进而获得天线的最优结构尺寸参数。HMSIW单个横向缝隙辐射单元结构示意图及其相应等效电路传输线模型如图3所示。图中R0为HMSIW传输线的特性阻抗[8]。

图3 HMSIW缝隙单元结构及其等效电路模型Fig.3 HMSIW slot unit structureand its equivalent circuit model

图3的等效电路模型左侧为电磁波信号的输入端，右侧则为输出端，左、右两端口的阻抗匹配，等效传输线模型的电压与电流可用下式表示：

式中：A、C是等效传输模型两端电磁波信号的输入与输出增幅系数；B是信号的回损系数。式（5）满足以下边界条件：

式（5）代入式（6）后，可得：

归一化阻抗简化为

式中，当Z/R0为实数时，HMSIW横向缝隙单元结构为谐振状态，可向空间辐射电磁能量。此外，HMSIW横向缝隙单元结构的归一化阻抗可用散射S参数表示，即：

HMSIW横向缝隙单元结构的自阻抗为（不考虑各缝隙间互耦）：

式中：Zai为辐射缝隙的阻抗；Ii为模式电流；vsi为横跨缝隙的模式电压；函数 fi、K可写为

式中：ti、li分别为第个横向缝隙的宽度、 长度；kx、kz为HMSIW中电磁波在x、z方向传播波数；kli为横向缝隙单元结构中电磁波的传播波数。由于TE0.5，0为 HMSIW 的传输主模，则 kx=π/［2（w-xw）］，kli=π/［2（li-xli）］，xw、xli分别表示在 HMSIW 与横向缝隙单元结构中x方向电场最大位置。

基于式（9）和式（10）可推得 HMSIW双频谐振缝隙天线的初始结构参数，并利用仿真软件HFSS进行仿真优化，最后所得的优化后结构参数如表1所示。

表1 HMSIW双频缝隙天线结构参数（mm）Tab.1 HMSIW dual-frequency slot antenna structure parameters（mm）

图4为HMSIW四元双频谐振缝隙天线反射系数仿真结果。从图中可以看出，缝隙天线可同时工作于谐振频点5.6 GHz和7.9 GHz，其相应的反射系数分别为-17.9 dB和-26.1 dB。

图4 双频缝隙天线反射系数的仿真结果Fig.4 Simulation results of reflection coefficient of dual-frequency slot antenna

2 实验测试

天线E、H面的归一化辐射方向图仿真结果如图5所示，在频点5.6 GHz，天线在E面具有全向辐射特性，且H面方向图关于xoz面对称；在7.9 GHz，其E、H面辐射方向则为定向辐射，E、H面的方向图关于yoz面近似对称，且其辐射主瓣在垂直方向。

图5 天线的辐射仿真方向图Fig.5 Antenna radiation simulation pattern

为验证设计方法的有效性与仿真结果的正确性，针对上述例子，利用PCB工艺对设计的HMSIW双频谐振缝隙天线进行加工，其实物如图6所示。

图6 HMSIW四元双频缝隙天线Fig.6 HMSIW quaternary dual-frequency slot antenna

测试结果如图7所示。实验结果表明，测试与仿真结果基本吻合，双频谐振缝隙天线可工作于频点 5.51 GHz和 7.74 GHz， 其对应的频率带宽 （S11＜－10 dB）分别为55 MHz和50 MHz。对比仿真数据，天线的谐振频点均向低频方向发生频移。图8为天线在谐振频点E、H面归一化辐射方向图的测试结果，从图可知，在谐振频点的测试辐射方向图与图5中的仿真结果基本一致。

图7 天线的测试结果Fig.7 Antenna test result

图8 天线测试方向图Fig.8 Antenna test pattern

表2为天线在谐振频点增益的仿真与测试数据对比，由表中可知，双频谐振缝隙天线增益的测试结果与仿真结果存在约1 dB左右的损耗差异。

表2 HMSIW四元双频缝隙谐振天线增益Tab.2 HMSIW quaternary dual-frequency slot resonance antenna gain

3 结语

双频缝隙谐振天线工作于C波段，损耗低，增益均高于5.9 dBi，利于研制高增益天线。其结构简单紧凑，仅由HMSIW和横向缝隙构成，在PCB板上即可实现，易于与其他电路集成，成本低。

仿真与测试结果的整体趋势吻合，但存在一定差异，这可能是由天线自身的导体损耗、介质材料损耗及转换阻抗失配等因素共同引起的，有待改良设计。