譚立容，倪 瑛，張照鋒，伍瑞新

(1.南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京210046;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)

基于半?；刹▽?dǎo)的雙頻段縫隙天線*

譚立容1，3*，倪 瑛2，張照鋒1，伍瑞新3

(1.南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京210046;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)

基于半?；刹▽?dǎo)技術(shù)，提出了一種適用于微波集成電路的雙頻段縫隙天線。該雙頻段天線由饋電微帶線，一段半共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和具有輻射縫隙的半?；刹▽?dǎo)諧振腔構(gòu)成，利用半?；刹▽?dǎo)諧振腔的多模式工作特性實(shí)現(xiàn)了天線多頻段特性。仿真和測(cè)試結(jié)果表明，該天線能同時(shí)工作在C頻段(諧振頻率5.74 GHz，S11=-21.86 dB)和X頻段(諧振頻率11.33 GHz，S11=-25.09 dB)，不需要同時(shí)采用兩個(gè)天線，具有便于和平面電路集成、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

雙頻段天線;半?；刹▽?dǎo);諧振腔;縫隙天線

近年來(lái)隨著無(wú)線通信系統(tǒng)的廣泛使用，無(wú)線通信系統(tǒng)中常常呈現(xiàn)多種工作頻段共存的局面。采用多個(gè)獨(dú)立天線來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)多標(biāo)準(zhǔn)多系統(tǒng)兼容的方法已經(jīng)顯得不實(shí)用，它會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)空間和材料的浪費(fèi)。在既要雙頻段工作又要滿足降低整體成本、減輕重量、減小雷達(dá)散射截面等的要求下，人們對(duì)雙頻段天線的研究也越來(lái)越關(guān)注。

目前，雙頻段天線的研究很多，常見(jiàn)的雙頻段天線可分為以下幾種類型:雙頻段微帶縫隙天線［1］、雙頻段圓錐喇叭天線［2］、雙頻段單極子天線［3-4］、雙頻段平面倒置F型(PIFA)天線［5］、雙頻段螺旋天線［6］、雙頻段貼片天線［7］等等。它們工作的雙頻段常見(jiàn)以下幾種類型:VHF/UHF雙頻段，WLAN的2.4 GHz/ 5.2 GHz/5.8 GHz多頻段，射頻識(shí)別(RFID)2.45 GHz和5.80 GHz雙頻段，WiMAX2.5 GHz/3.5 GHz/5.8 GHz多頻段，C/Ku雙頻段，GSM900 MHz/DCS1800 MHz移動(dòng)通信雙頻段，用于衛(wèi)星地面測(cè)控站的C/L雙頻段，跟蹤載人飛船的Ku/S雙頻段，用于遙測(cè)跟蹤的S/X雙頻段等等，以滿足各種各樣的通信需要。其中的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容是實(shí)現(xiàn)容易和平面電路集成的，尺寸小的雙頻段天線。

基片集成波導(dǎo)［8］SIW(Substrate Integrated Waveguide)是一種平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，相比與金屬空管式波導(dǎo)結(jié)構(gòu)尺寸大大減少。而半模基片集成波導(dǎo)［9］HSIW(Half-Mode Substrate Integrated Waveguide)的傳播特性和生產(chǎn)工藝類似基片集成波導(dǎo)，都是通過(guò)在上下底面為金屬層的低損耗介質(zhì)基片上，利用金屬化通孔陣列而實(shí)現(xiàn)的，但和同頻率基片集成波導(dǎo)相比它的尺寸縮小一半。因此，可基于半?；刹▽?dǎo)技術(shù)實(shí)現(xiàn)尺寸更小的天線。基于半模基片集成波導(dǎo)的天線研究主要集中在以下幾個(gè)方面:半?；刹▽?dǎo)饋電的天線(如，寬帶對(duì)數(shù)周期偶極子陣列天線［10］)、半?；刹▽?dǎo)漏波天線［11］、基于半?；刹▽?dǎo)的縫隙陣列天線［12］等等。從目前國(guó)內(nèi)外公開(kāi)文獻(xiàn)來(lái)看，基于半?；刹▽?dǎo)技術(shù)的雙頻段天線研究還很少。

本文提出了一種基于半模基片集成波導(dǎo)的雙頻段縫隙天線，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的天線能同時(shí)工作在C頻段和X頻段，且便于和平面電路集成、體積小。對(duì)該天線的實(shí)際測(cè)量表明，仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致，具有較好工作性能。

1 天線結(jié)構(gòu)與理論設(shè)計(jì)

圖1給出了所提出的半?；刹▽?dǎo)天線結(jié)構(gòu)，在天線覆銅介質(zhì)基片一側(cè)設(shè)有一排金屬化通孔2、前后設(shè)有兩排金屬化通孔陣列1和3。金屬化通孔和介質(zhì)基片上的覆銅連通，從而構(gòu)成了一個(gè)半?；刹▽?dǎo)諧振腔。由基片集成波導(dǎo)諧振腔相關(guān)理論，基片集成波導(dǎo)諧振腔只能存在TEmnq(m≠0，n≠0，q=0)諧振模式，其中，下標(biāo)m表示場(chǎng)強(qiáng)沿x軸方向變比時(shí)出現(xiàn)的最大值數(shù)目(半波數(shù))，下標(biāo)n表示場(chǎng)強(qiáng)沿y軸方向變化時(shí)出現(xiàn)的最大值個(gè)數(shù)(半波數(shù))，由于z軸方向厚度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，故q=0。由于TM模式會(huì)感應(yīng)出沿側(cè)壁縱向流動(dòng)的表面電流，相鄰金屬孔之間的縫隙所形成的狹槽會(huì)阻斷表面電流的流動(dòng)，因此它不能夠在SIW諧振腔存在。

所設(shè)計(jì)的雙頻段天線利用半?；刹▽?dǎo)諧振腔的多模式工作特性實(shí)現(xiàn)天線多頻段特性。通過(guò)在下表面金屬層開(kāi)設(shè)的兩個(gè)橫向縫隙實(shí)現(xiàn)對(duì)外輻射，天線的諧振頻率由半?；刹▽?dǎo)諧振腔和縫隙的尺寸決定。為了解決天線的測(cè)試和連接問(wèn)題，饋電微帶線與半模基片集成波導(dǎo)過(guò)渡處設(shè)有一段半共面波導(dǎo)(GCPW)結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)原理和共面波導(dǎo)原理相似，這一段半共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的存在使得能量在連接處發(fā)生集中，起到一定的匹配作用。

應(yīng)用仿真軟件HFSS對(duì)該天線結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的天線尺寸為:雙頻段縫隙天線的總長(zhǎng)度L和總寬度W分別為24.8 mm、12.4 mm;半?；刹▽?dǎo)的下表面金屬層所開(kāi)兩個(gè)一樣尺寸條形縫隙4的長(zhǎng)度Sl、寬度Sw分別為7.4 mm、1 mm，體現(xiàn)開(kāi)縫位置的E=2.9 mm、F=0.6 mm，兩個(gè)條形縫隙的間距D=12 mm;饋電微帶線的寬度C3為2.4 mm、長(zhǎng)度Lm=5 mm;所有的金屬化通孔直徑為1 mm，相鄰兩個(gè)金屬化通孔圓心的間距Lg為1.5 mm;饋電微帶線與半模基片集成波導(dǎo)過(guò)渡處設(shè)有一段半共面波導(dǎo)，它的寬度C2=0.6 mm、間距C1=0.7 mm、長(zhǎng)度D1=6 mm。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖

圖2給出了所設(shè)計(jì)半?；刹▽?dǎo)雙頻段縫隙天線輸入端的反射系數(shù)S11參數(shù)隨頻率變化圖，仿真結(jié)果顯示天線能同時(shí)工作在C頻段(諧振點(diǎn)頻率為5.74 GHz，對(duì)應(yīng)S11=-22 dB)和X頻段(諧振點(diǎn)頻率為11.26 GHz，對(duì)應(yīng)S11=-18 dB)。C頻段諧振點(diǎn)對(duì)應(yīng)半模基片集成波導(dǎo)諧振腔的半TE110諧振模式(場(chǎng)分布如圖3)，X頻段諧振點(diǎn)對(duì)應(yīng)半?；刹▽?dǎo)諧振腔的半 TE120諧振模式(場(chǎng)分布如圖4)。

圖2 天線S參數(shù)的頻率特性

圖3 C頻段諧振點(diǎn)對(duì)應(yīng)的半TE110模式天線表面場(chǎng)分布圖

圖4 X頻段諧振點(diǎn)對(duì)應(yīng)的半TE120模式天線表面場(chǎng)分布圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于上述優(yōu)化設(shè)計(jì)的天線尺寸，我們采用厚度為0.8 mm的國(guó)產(chǎn)F4BM基板(εr=2.2，tanδ=0.001)實(shí)際制備了該雙頻段縫隙天線。圖5給出了該天線實(shí)物照片，天線尺寸大小24.8 mm×12.4 mm。

圖5 實(shí)際制備的天線照片

我們使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀PNA8363測(cè)試了所設(shè)計(jì)半?；刹▽?dǎo)雙頻段縫隙天線輸入端的反射系數(shù)，測(cè)量結(jié)果如圖2所示。從測(cè)試結(jié)果可看到，測(cè)量和仿真結(jié)果較好地吻合，天線能同時(shí)工作在C頻段(諧振點(diǎn)頻率為5.74 GHz，對(duì)應(yīng)S11=-21.86 dB)和X頻段(諧振點(diǎn)頻率為11.33 GHz，對(duì)應(yīng)S11= -25.09 dB)。

圖6為仿真和測(cè)試得到的E面和H面方向圖，方向圖測(cè)試是在微波暗室里完成的。從該圖中可發(fā)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果大致符合，結(jié)果顯示天線在C頻段諧振點(diǎn)具全向輻射特性(諧振點(diǎn)增益為2.2 dBi)，在X頻段諧振點(diǎn)具定向輻射特性(諧振點(diǎn)增益為5.4 dBi)。和文獻(xiàn)［13］中的C/X雙頻段雙面印刷偶極子天線(尺寸75 mm×50 mm，滿足S11＜-10 dB的諧振點(diǎn)6.68 GHz，8.88 GHz，9.56 GHz，10.61 GHz對(duì)應(yīng)增益分別為為3 dBi、4.1 dBi、2.9 dBi、3.5 dBi)相比，該天線的面積是其8.2%、天線性能大體一樣，實(shí)現(xiàn)了小尺寸的C/X雙頻段工作天線。

圖6 天線歸一化輻射方向圖

3 結(jié)論

本文應(yīng)用半?；刹▽?dǎo)諧振腔的多諧振模式工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新型雙頻段縫隙天線，它能同時(shí)工作在C頻段和X頻段，其兩個(gè)工作頻點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)天線的兩個(gè)諧振模式。該雙頻段天線采用雙面單層電路板結(jié)構(gòu)，通過(guò)印刷工藝即可實(shí)現(xiàn)，易于制造、易于和平面電路集成、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，可應(yīng)用于WLAN、WIMAX、遙感遙測(cè)等領(lǐng)域。

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A Dual-Band Slot Antenna Based on Half-Mode Substrate Integrated Waveguide*

TAN Lirong1，3*，NIYing2，ZHANG Zhaofeng1，WU Ruixin3
(1.Nanjing College of Information Technology，Nanjing 210046，China;2.Nanjing College of Industry Technology，Nanjing 210023，China; 3.School of Electronic Science and Engineering，Nanjing University，Nanjing 210093，China)

Based on Half-Mode Substrate Integrated Waveguide(HMSIW)technology，we proposed a new dual band slot antenna suitable for the microwave integrated circuit.The new antenna is composed ofmicrostrip feed line，a half coplanar waveguide structure，and a half-mode substrate integrated waveguide resonant cavity structure with radiation slots.It uses themultimode characteristic of half-mode substrate integrated waveguide resonant cavity to realizemultiband characteristics of the antenna.Simulation and test results show that the antenna can work in both C band(S11=-21.86 dB at the resonant frequency 5.74 GHz)and X band(S11=-25.09 dB at the resonant frequency 11.33 GHz)，it does not need to use both two antennae for C band and X band，having the advantages of easy to be integrated with planar circuit，small volume，simple structure，and low cost.

dual-band antenna;Half-Mode Substrate Integrated Waveguide(HMSIW);resonant cavity;slot antenna

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.01.002

TN821 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1005-9490(2014)01-0005-04

項(xiàng)目來(lái)源:2012年南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研基金重點(diǎn)項(xiàng)目(YKJ12-001);江蘇智能傳感器網(wǎng)絡(luò)工程技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心開(kāi)放基金項(xiàng)目(ZK12-04-07);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61071007)

2013-08-12修改日期:2013-09-18

EEACC:5270

譚立容(1977-)，女，貴州人，南京大學(xué)博士研究生，副教授，工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)槲⒉ㄆ骷疤炀€的設(shè)計(jì)研究，tanlirong77@163.com;

張照鋒(1974-)，男，河南人，副教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)槲⒉夹g(shù);

倪 瑛(1979-)，女，江蘇人，講師，主要研究領(lǐng)域?yàn)橥ㄐ偶夹g(shù);

伍瑞新(1962-)，男，江蘇人，博士生導(dǎo)師，教授。主要從事人工電磁材料設(shè)計(jì)與應(yīng)用，微波器件和技術(shù)等方面的研究，郵箱rxwu@nju.edu.cn。