譚立容，倪瑛，劉豫東，王抗美

(1.南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京 210023;2.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京 210023;3.南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210093)

1 引言

隨著無線通信的快速發(fā)展，一個(gè)通信系統(tǒng)中常常集成了多個(gè)通信標(biāo)準(zhǔn)，通信設(shè)備往往需要支持多頻段工作。為了減少電磁干擾，降低成本，在系統(tǒng)中采用支持多頻段的天線是有必要的。近年來，出現(xiàn)了多種實(shí)現(xiàn)多頻段天線的方法，如變形的單極天線［1－3］、改進(jìn)的平面倒 F(PIFA)天線［4］和其他采用各種各樣縫隙形式的縫隙天線［5－6］。文獻(xiàn)［1］在傳統(tǒng)平面U形單極天線上的U形金屬面上蝕刻兩個(gè)對(duì)稱的T形縫隙，并在其介質(zhì)板背面加矩形和T形微帶金屬條，實(shí)現(xiàn)了工作在 2.40～2.51 GHz、3.35～3.94 GHz 和 5.02～6.63 GHz 3個(gè)頻率范圍。文獻(xiàn)［4］提出了一種共面波導(dǎo)饋電帶有多個(gè)折疊縫隙的多頻段平面倒F形天線，實(shí)現(xiàn)了在0.93 GHz、1.8 GHz、2.4 GHz 和5.2 GHz多個(gè)頻段工作。在這些天線中，大部分是屬于雙向或全向輻射天線。

最近，為了消除向后輻射，基片集成波導(dǎo)(SIW)［7］和半?；刹▽?dǎo)(HMSIW)技術(shù)［8］被應(yīng)用于背腔式天線設(shè)計(jì)［9－10］，從而獲得高性能的定向輻射天線。例如，文獻(xiàn)［11］中采用HMSIW技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一種增益約5 dBi的背腔式天線，但這種天線僅工作在單頻段。從目前國內(nèi)外公開文獻(xiàn)來看，基于半模基片集成波導(dǎo)技術(shù)的多頻段天線研究還很少。

本文采用半模基片集成波導(dǎo)(HMSIW)技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種多頻段背腔式定向輻射天線。經(jīng)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的天線能同時(shí)工作在5.7/10.7/11.9/12.5/13.1 GHz這 5 個(gè)頻段，具有體積小、便于和平面電路集成、性能好的優(yōu)點(diǎn)。

2 天線原理與設(shè)計(jì)

當(dāng)雙向或全向輻射天線需要安裝在某個(gè)金屬平臺(tái)上時(shí)，金屬平臺(tái)會(huì)改變天線輻射特性，向著平臺(tái)的輻射可能影響系統(tǒng)其他電路的性能，帶來嚴(yán)重的電磁兼容問題。背腔式天線是一種采用金屬腔或金屬平面來抑制某一個(gè)方向的輻射，以實(shí)現(xiàn)單向輻射的天線。半?；刹▽?dǎo)是在SIW基礎(chǔ)上提出的一種小型化結(jié)構(gòu)，與基片集成波導(dǎo)相比，它能減少將近一半的尺寸而不惡化基片集成波導(dǎo)的性能。如圖1所示，通過在雙面敷銅板設(shè)有兩排正交的金屬化通孔陣列，讓金屬化通孔和介質(zhì)基片上的覆銅連通，當(dāng)金屬化通孔的間距dp遠(yuǎn)小于波長，間距dp和孔徑d之比在1～2.5之間時(shí)，構(gòu)成了一個(gè)半模基片集成波導(dǎo)諧振腔。在天線介質(zhì)基片板頂面的覆銅面蝕刻彎折縫隙實(shí)現(xiàn)對(duì)外輻射，通過一段寬度漸變的微帶線實(shí)現(xiàn)饋電。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of antenna

天線的諧振頻率由半?；刹▽?dǎo)諧振腔和縫隙的尺寸、位置等共同決定。當(dāng)不考慮縫隙的影響時(shí)，半模基片集成波導(dǎo)諧振腔的半模TEmnp頻率和對(duì)應(yīng)基片集成波導(dǎo)諧振腔的全模TEmnp頻率是相同，可由公式(1)算出［9］。和全?；刹▽?dǎo)諧振腔諧振頻率公式不同之處在于，原基片集成波導(dǎo)諧振腔公式中的寬度應(yīng)取為半?；刹▽?dǎo)諧振腔寬度的2倍。

公式(1)中，在z軸方向由于天線厚度h遠(yuǎn)小于波長，故p等于零，若要諧振腔內(nèi)有電磁波存在，m和n都不能等于零。當(dāng)m、n取不同值時(shí)，對(duì)應(yīng)半模基片集成波導(dǎo)諧振腔的不同模式，有多個(gè)諧振頻率。故可利用半模基片集成波導(dǎo)諧振腔的多模式工作特性，實(shí)現(xiàn)天線多頻段特性。

除了半?；刹▽?dǎo)諧振腔的尺寸參數(shù)等直接影響該天線的性能，天線頂部覆銅面上蝕刻的彎折縫隙也具有關(guān)鍵作用。它可起到改變天線電流和場分布，從而改善天線的阻抗匹配的作用，尤其是低頻段的阻抗匹配。諧振腔和縫隙的影響可以通過全波仿真來分析調(diào)整。

在天線實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，先根據(jù)多頻段天線所要工作的最低頻段中心頻率fmin，通過公式(2)估計(jì)半?；刹▽?dǎo)諧振腔的寬度:

再采用全波仿真軟件HFSS建立天線模型，對(duì)如何確定彎折縫隙的長寬、彎折個(gè)數(shù)和位置進(jìn)行分析研究。在設(shè)計(jì)過程中，以彎折縫隙在y軸方向長度要短從而縮小天線總長度為原則，來調(diào)整彎折縫隙物理參數(shù)。

應(yīng)用軟件HFSS對(duì)該天線結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行仿真優(yōu)化后，天線的總長度 B和總寬度 A分別為38.0mm、18.4mm，圖1中所標(biāo)注的天線尺寸參數(shù)經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后為(單位: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。仿真模型中已經(jīng)人為地加入58mm×75mm金屬面用來模擬金屬平臺(tái)。

圖2給出了在其他參數(shù)一樣條件下，所設(shè)計(jì)多頻段縫隙天線對(duì)比不加彎折縫隙和采用同樣長度的直條縫隙時(shí)的反射系數(shù)S11參數(shù)隨頻率變化圖。仿真結(jié)果顯示有了彎折縫隙后，天線在低頻段5.78 GHz的回波損耗由不加縫隙和采用直條縫隙時(shí)的零點(diǎn)幾分貝變到加彎折縫隙的9.8 dB，本設(shè)計(jì)的匹配性能更好。

圖2 仿真得到的S參數(shù)Fig.2 Simulated S11

圖3顯示了當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí)，半?；刹▽?dǎo)的上表面金屬層所開彎折縫隙的寬度Sx和長度Sg對(duì)天線S11參數(shù)的影響?？梢姡?dāng)Sx和Sg增大(即彎折縫隙總的長度變長)時(shí)，天線的諧振頻率向低頻移動(dòng)，反之向高頻移動(dòng)。由于改變Sx或Sg幾乎有同等效果，故對(duì)天線總長度有限制時(shí)，可以通過只改變彎折縫隙的寬度Sx達(dá)到調(diào)節(jié)頻率的目的。

圖3 彎折縫隙的寬度Sx和長度Sg對(duì)天線的影響Fig.3 The effect of Sxand Sgon antenna

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于上述優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用厚度為1mm的國產(chǎn)F4BM 基板(εr=2.2，tanδ=0.001)制備了該多頻段縫隙天線，如圖4所示。

圖4 實(shí)際制備的天線照片F(xiàn)ig.4 Photo of the fabricated antenna

圖4中的天線1是對(duì)應(yīng)以上天線尺寸的實(shí)物照片，尺寸大小18.4mm×38.0mm，天線2是為了驗(yàn)證調(diào)整彎折縫隙尺寸參數(shù)能減小天線尺寸。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀PNA8363測試了這兩個(gè)多頻段背腔式HMSIW縫隙天線輸入端的反射系數(shù)，且在微波暗室里測試了天線1方向圖，測試中將天線安裝在了58mm×75mm金屬板上。

圖5給出了天線1和天線2測量結(jié)果，天線1的測量結(jié)果和圖2的仿真結(jié)果吻合較好。從測試結(jié)果可看到，兩天線都工作在C/X頻段，而天線1尺寸更小。表1列出了天線1在各個(gè)頻段的反射系數(shù)、天線效率、增益等參數(shù)。由圖表可見，天線1能同時(shí)工作在 5.7/10.7/11.9/12.5/13.1 GHz 這5 個(gè)頻段，天線1在這 5個(gè)頻段滿足反射系數(shù) S11＜－10dB(對(duì)應(yīng)VSWR≤2)的帶寬對(duì)應(yīng)依次為230/180/300/230/290MHz，能滿足常規(guī)C頻段和X頻段應(yīng)用需求。

圖6為測得的各頻點(diǎn)E面和H面方向圖，該圖顯示天線在各諧振點(diǎn)具定向輻射特性，除了在10.72 GHz的方向圖在0°輻射較弱之外，其他頻點(diǎn)在0°方向的前后比最小為13.5、最大為23.6。

圖5 天線S11參數(shù)的測試結(jié)果Fig.5 Measured S11of antenna

圖6 天線歸一化輻射方向圖Fig.6 Normalized radiation patterns

表1列出了各諧振點(diǎn)增益最小為6.76 dBi(11.98 GHz)、最大為9.41 dBi(13.12 GHz)。和文獻(xiàn)［12］中的多頻段雙面印刷偶極子天線(尺寸75mm×50mm，滿足 S11＜－10dB 的諧振點(diǎn) 6.68/8.88/9.56/10.61 GHz 對(duì) 應(yīng) 增 益 分 別 為3/4.1/2.9/3.5 dBi)相比，該天線1 的面積是其 18.6%，增益更高，并可以用于金屬平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了小尺寸的C/X頻段多頻點(diǎn)工作天線。

表1 天線1的參數(shù)Table 1 Parameters of antenna 1

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種能用在金屬平臺(tái)上、易和平面電路集成、低成本、尺寸小的背腔式半?；刹▽?dǎo)彎折縫隙天線，該天線能工作在多個(gè)頻段，增益高，屬于定向輻射天線，并可以通過調(diào)整彎折縫隙尺寸參數(shù)來減小天線尺寸，可應(yīng)用于WLAN(IEEE 802.11a)、WiMAX(IEEE 802.16)、遙感遙測等領(lǐng)域，已在項(xiàng)目中實(shí)際應(yīng)用。不足之處是，天線不是在所有工作頻點(diǎn)的定向性都好，有待進(jìn)一步提高。

［1］Hu W，Yin Y Z，Yang X，et al.Compact Multiresonator－loaded Planar Antenna for Multiband Operation［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2013，61(5):2838－2841.

［2］Liu W C，Wu C M，Dai Y.Design of triple－frequency microstrip－fed monopole antenna using defected ground structure［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2011，59(7):2457－2463.

［3］Niroo－Jazi M，Denidni T A.A New Triple－Band Circular Ring Patch Antenna With Monopole－Like Radiation Pattern Using a Hybrid Technique［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2011，59(10):3512－3517.

［4］Elsheakh D M，Abdallah E A.Compact Multiband Multifolded－Slot Antenna Loaded With Printed－IFA［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2012(11):1478－1481.

［5］Lu J H，Huang B J.Planar compact slot antenna with multi－band operation for IEEE 802.16 m application［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2013，61(3):1411－1414.

［6］Naser M M，Sadeghi F R，Danideh A.CPW－fed compact slot antenna for WLAN operation in a laptop computer［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2010，52(6):1280－1282.

［7］Bozzi M，Georgiadis A，Wu K.Review of substrate－integrated waveguide circuits and antennas［J］.IET Transactions on Microwaves，Antennas ＆ Propagation，2011，5(8):909－920.

［8］Lai Q，F(xiàn)umeaux C，Hong W，et al.Characterization of the propagation properties of the half－mode substrate integrated waveguide［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2009，57(8):1996－2004.

［9］Luo G Q，Hu Z F，Liang Y，et al.Development of low profile cavity backed crossed slot antennas for planar integration［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2009，57(10):2972－2979.

［10］Wu L，Izquierdo B S，Young P R.Half mode substrate integrated waveguide slot antenna［C］//Proceedings of 2009 International Symposium on Antennas and Propagation Society.Charleston，SC:IEEE，2009:1－4.

［11］Razavi S A，Neshati M H.Development of a Linearly Polarized Cavity Backed Antenna Using HMSIW Technique［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2012(11):1307－1310.

［12］Rmili H，F(xiàn)loc'h J M，Khaleghi A.Design of wideband double－sided printed dipole antenna for C－and X－band applications［J］.Electronics Letters，2006，42(19):1076－1077.