60 GHz SIW 缝隙耦合馈电微带贴片天线设计

孔令布，王一博

（湖南信息学院，湖南 长沙 410000）

0 引 言

用于60 GHz通信的频段自由空间损耗达到15 dB/km，而且该频段内的介质损耗、表面波损耗、辐射损耗十分严重。如何设计出具有高增益、宽频带、高效率的天线一直是科研工作者面临的难题[1]。近年来人们提出不同类型的毫米波天线[2-6]，以上天线的增益受到馈电网络的影响。微带线组成的馈电网络剖面低、结构简单，已经广泛地应用在微波的低频段，但是微带线的传输损耗随着频率的增加而增加，而且微带线自身的不良辐射也会降低天线在毫米波波段的性能。与微带线相比，波导结构组成的馈电网络具有较低的传输损耗，但制造成本高、体积笨重、难以集成等特点不利于大规模的生产。基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide, SIW）具有平面结构、制造成本低、易于集成、低损耗等优点，因此受到广泛的关注。

文献[7-9]提出了基于SIW 单层缝隙天线，从一端通过共面的馈电网络馈电，这样就增加了天线的面积，而且馈电网络产生的不良辐射会使天线的旁瓣电平恶化，馈电网络传输损耗较大导致增益降低。低温共烧陶瓷技术广泛地应用在毫米波天线中，文献[10-13]设计了采用低温共烧陶瓷技术的毫米波天线，并且具有良好的性能，但是与多层PCB 制造技术相比，工艺复杂、昂贵、材料损耗大，导致辐射效率低。

本文设计了一种60 GHz SIW 缝隙耦合馈电微带贴片天线，天线采用双层基片结构，底层为通过矩形缝隙耦合馈电的SIW 结构，顶层为圆形与圆环贴片结合形成的辐射贴片。这种双层的天线可以采用低成本多层PCB 工艺制造。通过优化圆环与圆形贴片的尺寸形成两个频率接近的谐振点，通过优化馈电缝隙长度和宽度增加天线的阻抗带宽。在实际测试过程中设计了天线到传统矩形波导的转接口，并且进行了实际的加工与测试。实测结果表明，该天线阻抗带宽为43%（50～76 GHz）。天线实测S参数与仿真设计吻合较好，交叉极化低，剖面低，容易和平面微波电路集成构成高增益、宽频带的微带贴片天线阵列，可广泛地应用在高速率数据传输的场合。

1 天线设计与原理分析

1.1 天线模型

首先设计了一款圆形微带贴片天线，然后对其改进，天线结构演变过程如图1 所示。圆形贴片半径R2可由式（1）、式（2）计算。

图1 天线结构演变过程

式中：fnm代表圆形贴片谐振频率；c 代表光速；代表n阶贝塞尔函数导数的第m个零点；R2代表计入边缘效应后的等效半径；R′2代表实际的物理尺寸；h为介质层厚度。

为了减小电磁波在SIW 中的泄露，半径R、间距S需要满足以下条件：

式中λg为波导波长。

天线结构如图2 所示，该天线由两层RT duroid 5880 介质板和三层金属组成。下层介质板构成SIW 馈电网络，在下层介质板顶部的金属层蚀刻矩形缝隙，微带贴片位于顶层介质板之上。本文使用的RT duroid 5880 介质板的相对介电常数εr=2.33，损耗正切值为0.001 2，厚度为0.787 4 mm。通过HFSS 软件优化，天线参数如表1 所示。

表1 天线尺寸 mm

图2 天线结构图

1.2 天线结构分析

使用HFSS 软件对图1 中的两种不同结构的天线建模仿真，仿真结果如图3 所示。从图3 中可以看出，圆形微带贴片天线带宽为55.5～66 GHz。对结构1 中的圆形微带贴片开圆环形槽，使天线带宽增大为49～73 GHz，仿真结果表明，结构1 到结构2 的演变可以有效地扩展天线的带宽。

图3 两种不同天线的S11 参数

使用HFSS 软件仿真分析部分参数对天线性能的影响，具体研究参数包括：W2缝隙耦合长度、L2耦合缝隙耦合宽度、R1圆形贴片半径对天线性能的影响，仿真结果如图4～图6 所示。

图4 不同L2 仿真结果

图5 不同W 2 仿真结果

图6 不同R1 仿真结果

如图4 所示随着耦合缝隙宽度L2的增加，fl低频谐振点向左移动即向低频移动，高频谐振点fh向右移动即向高频移动，同时工作频带内驻波恶化，阻抗带宽减小。图5 中随着W2的增加，天线的低频谐振点fl向右移动即向高频移动，高频谐振点fh向左移动即向低频移动，同时工作频带内驻波改善，阻抗带宽增加。由缝隙耦合微带天线的工作原理可知，耦合的缝隙和主辐射贴片共同决定一个谐振点，因此可以通过改变耦合缝隙尺寸改善天线的带宽。图6 中随着圆形贴片半径的增大，低频谐振频率fl、高频谐振频率fh几乎不变，但是工作频带内驻波恶化、带宽减小。这是因为随着圆形贴片半径的增大，其在圆环形贴片上激励出高阶模而非TM11 模，因此可以通过调整圆形贴片半径R1增加天线的带宽。综合以上分析得到天线的最优参数：W2=1.8 mm，L2=0.25 mm，R1=0.3 mm。

1.3 带宽实现原理分析

为了扩展天线的带宽，最关键的是要在圆形和圆环贴片同时激励出TM11 模式。如果采用传统的同轴馈电方式，圆形贴片只能在圆环贴片上微弱地激励出更高阶模式而非TM11 模式，此时对于改善天线的带宽并不显著。主要的原因在于圆形的物理尺寸太大，无法在圆环形贴片上激励出TM11 模[14]。本文采用SIW 缝隙耦合馈电，因此可以通过调节圆形贴片的尺寸解决以上问题。天线的电场分布如图7 所示，从图中可以发现圆环与圆形贴片均工作于TM11 模式。

图7 电场分布

2 实验结果分析

实际测试天线时测试设备需要采用标准矩形波导（3.76 mm×1.88 mm）作为连接接口，所以设计从SIW 到标准矩形波导的转换结构[15]，如图8 所示。天线采用普通激光印刷电路板工艺，通过基板四周的定位孔进行连接，天线实物如图9 所示。

图8 SIW 到标准矩形波导转换结构

图9 天线实物

天线实测和仿真的反射系数与增益如图10 所示，天线的仿真曲线与实测结果基本吻合。

图10 天线仿真和实测的反射系数与增益

仿真结果表明，天线-10 dB 阻抗带宽为40%（49～73 GHz），实际测量结果为43%（50～76 GHz）。仿真的天线增益范围为5.75～6.75 dBi，实际测量的增益范围为4.57～6.75 dBi，仿真结果与实际测量结果有部分差异，这是由电缆损耗、测量误差以及复杂的外部环境造成的。

为了满足实际应用的要求，天线在频带范围内应该在边射方向形成最大辐射，而且最大辐射方向保持相对稳定。在频带范围内选取3 个频点，分别为50 GHz、60 GHz、70 GHz。对其远场使用HFSS 软件仿真，结果如图11 所示。从图中可知天线方向图在49～73 GHz 频段内对称性好、方向图稳定、交叉极化均低于-40 dB，因此天线的辐射性能较好。

图11 天线方向图

3 结 论

本文设计了一种60 GHz SIW 缝隙耦合馈电微带贴片天线，同时在圆环与圆形微带贴片激励出TM11 模式，有效地扩展了带宽，达到了43%（50～76 GHz）。仿真结果表明，本文设计的天线交叉极化低、方向图稳定，具有良好的辐射性能，而且结构简单、价格低廉、体积小，可以直接扩展为高增益、宽带宽微带贴片天线阵列，具有广阔的应用前景。

注：本文通讯作者为孔令布。