穆欣

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

低剖面天線(xiàn)具有縱向尺寸小，易共形等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在衛(wèi)星、飛機(jī)等平臺(tái)上。微帶縫隙天線(xiàn)是一種常見(jiàn)的低剖面天線(xiàn)形式，但其雙向輻射特性限制了應(yīng)用范圍。為了實(shí)現(xiàn)單向輻射，通常在縫隙天線(xiàn)背面四分之一波長(zhǎng)處加載反射板或反射腔，但這樣增大了天線(xiàn)的尺寸，破壞了其低剖面特性。

為了實(shí)現(xiàn)單向輻射的低剖面輻射天線(xiàn)，文獻(xiàn)[1]利用介質(zhì)波長(zhǎng)比自由空間波長(zhǎng)小的特性，采用介質(zhì)反射腔體代替空氣反射腔，降低了反射腔高度，實(shí)現(xiàn)了一定程度的低剖面性能；文獻(xiàn)[2]利用異形的金屬反射板代替金屬平板實(shí)現(xiàn)減小反射板高度；上述方法均基于間距四分之一波長(zhǎng)金屬地板對(duì)輻射波的反射同相疊加原理，未能從根本上實(shí)現(xiàn)低剖面。文獻(xiàn)[3]利用超材料技術(shù)，將周期性的金屬貼片集成在反射板上，利用周期性結(jié)構(gòu)的零反射相位帶隙特性，將四分之一波長(zhǎng)間距縮小為0.1波長(zhǎng)甚至更小，該方法需要嚴(yán)格控制天線(xiàn)與反射板的間距，造成天線(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)困難比較大。本文利用介質(zhì)集成波導(dǎo)（Substrate Integrated Waveguide，SIW）構(gòu)成微帶諧振腔，在諧振腔上開(kāi)矩形縫隙實(shí)現(xiàn)輻射，通過(guò)帶地共面波導(dǎo)（Grounded Coplanar Waveguide，GCPW）饋電，實(shí)現(xiàn)了具有單向輻射性能的縫隙天線(xiàn)，該天線(xiàn)擺脫了四分之一波長(zhǎng)處的反射板的限制，從根本上實(shí)現(xiàn)了低剖面。同時(shí)該天線(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作工藝難度小。

SIW技術(shù)首先被Wu提出[4]，它與常見(jiàn)的金屬壁波導(dǎo)具有類(lèi)似的傳輸線(xiàn)特性，可以看成“薄板”波導(dǎo)。SIW是由刻蝕了一定的金屬化通孔，且兩面印制金屬層的印制板構(gòu)成，金屬化通孔形成電壁，與上下兩層金屬面形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。通常金屬化通孔可以看成波導(dǎo)的窄邊壁，兩面金屬層可以看稱(chēng)波導(dǎo)的寬邊壁，如果在SIW一端再加一排金屬化通孔形成短路壁，這就形成SIW諧振腔。本文在諧振腔壁上開(kāi)矩形縫隙，并合理調(diào)整縫隙和諧振腔的結(jié)構(gòu)尺寸，就能滿(mǎn)足一定的天線(xiàn)輻射要求。GCPW是一種平面?zhèn)鬏斁€(xiàn)，它是在傳統(tǒng)的CPW傳輸線(xiàn)基礎(chǔ)上增加了地板，該結(jié)構(gòu)不改變CPW的傳輸線(xiàn)特性，是一種常用的SIW諧振腔饋電形式[4]。本文設(shè)計(jì)的加載SIW背腔的縫隙天線(xiàn)可以看成是利用SIW諧振腔在波導(dǎo)寬邊開(kāi)縫隙的波導(dǎo)縫隙天線(xiàn)，這樣天線(xiàn)不僅集成了微帶縫隙天線(xiàn)的低剖面特性還集成了波導(dǎo)縫隙天線(xiàn)的單向輻射特性。本文設(shè)計(jì)的天線(xiàn)厚度只有0.0290λ，比起傳統(tǒng)的四分之一波長(zhǎng)反射板形式，天線(xiàn)剖面降低了89%。

1 天線(xiàn)設(shè)計(jì)

天線(xiàn)外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 天線(xiàn)背部透視圖和橫截面圖

天線(xiàn)集成在一塊介電常數(shù)為2.55的介質(zhì)板上，介質(zhì)板正面是刻蝕了矩形縫隙的金屬地，背面是50歐的GCPW饋電結(jié)構(gòu)。縫隙四周用金屬化通孔圍成矩形腔體，為了使金屬化通孔能夠代替金屬壁，其大小和間距滿(mǎn)足以下條件[5-6]：d/dp≥0.5，d/λ0≤0.1，其中d是孔直徑，dp是孔間距，λ0是自由空間波長(zhǎng)。

如圖2所示，將SIW圍成的部分看成波導(dǎo)諧振腔，調(diào)整諧振腔體的寬窄比例，使腔內(nèi)諧振電磁場(chǎng)主模為 TE120模[4]，縫隙開(kāi)在諧振腔偏中心位置，沿GCPW饋線(xiàn)左右對(duì)稱(chēng)，可以看出產(chǎn)生了垂直于縫隙的電場(chǎng)，并且縫隙兩側(cè)電場(chǎng)方向相反。正是這種結(jié)構(gòu)造成了垂直于介質(zhì)板表面的電場(chǎng)分量互相抵消，而平行于介質(zhì)板表面的電場(chǎng)分量疊加，產(chǎn)生了與饋線(xiàn)平行方向極化的電磁波輻射。

圖2 天線(xiàn)電場(chǎng)矢量分布圖

圖3 諧振頻率隨腔體厚度H變化

圖4 諧振頻率隨縫隙長(zhǎng)度Ls變化

在上述分析基礎(chǔ)上，進(jìn)行了如下仿真，并得到結(jié)論：

（1）諧振腔大小會(huì)影響諧振頻率，即腔體厚度H和長(zhǎng)度Ws將影響天線(xiàn)諧振頻率，腔體尺寸越小諧振頻率越高。

仿真分析H和Ws參數(shù)對(duì)諧振頻率的影響也證明這一點(diǎn)。如圖3和圖4所示。

（2）縫隙位置Ps影響天線(xiàn)阻抗匹配。

由于諧振腔不同區(qū)域的場(chǎng)分布不同，對(duì)應(yīng)每一點(diǎn)的阻抗不同，為了滿(mǎn)足饋線(xiàn) 50歐的阻抗匹配，需要調(diào)節(jié)縫隙位置。由于天線(xiàn)沿著饋線(xiàn)左右結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，因此阻抗也是左右對(duì)稱(chēng)，所以阻抗匹配的縫隙位置為Ps=15.5mm，如圖1所示。仿真對(duì)比結(jié)果如圖5所示。

圖5 駐波比隨Ps變化

（3）縫隙長(zhǎng)度Ls在一定程度上影響天線(xiàn)諧振頻率。Ls越大，諧振頻率越低，反之諧振頻率越高。在此需要提出，由于該天線(xiàn)對(duì)應(yīng)諧振腔在TE120模式下工作，當(dāng)頻率變化，諧振腔不能滿(mǎn)足TE120模式諧振，天線(xiàn)將不能輻射，因此Ls對(duì)天線(xiàn)諧振頻率僅有一定程度的影響。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 諧振頻率隨腔體長(zhǎng)度Ws變化

2 天線(xiàn)仿真結(jié)果

利用 HFSS13仿真天線(xiàn)，天線(xiàn)中心頻率為 f0，天線(xiàn)結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示，其中仿真的駐波比如圖7所示，天線(xiàn)的輻射方向圖如圖8所示。

圖7 駐波比

從圖7、圖8中可見(jiàn)，天線(xiàn)的阻抗帶寬達(dá)到了60MHz，天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)了單向輻射，且增益達(dá)到了5.9dBi。該天線(xiàn)厚度僅有0.0290λ，具備極低的剖面，可以被應(yīng)用在衛(wèi)星，飛機(jī)等對(duì)尺寸要求極為嚴(yán)格的平臺(tái)上。

從仿真結(jié)果看，該類(lèi)型天線(xiàn)也有帶寬窄，增益不高兩個(gè)缺點(diǎn)。主要原因如下：

（1）該天線(xiàn)輻射基于SIW諧振腔的強(qiáng)諧振，諧振腔尺寸不僅限制了諧振頻率，同時(shí)限制了天線(xiàn)帶寬，造成天線(xiàn)帶寬比較窄，一般情況下約為 3～5%；

（2）在該類(lèi)型天線(xiàn)中，電磁波首先介質(zhì)中諧振，然后通過(guò)縫隙輻射，因此天線(xiàn)的介質(zhì)損耗較大。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了加載SIW背腔的縫隙天線(xiàn)，該天線(xiàn)集成了微帶縫隙天線(xiàn)的低剖面特性，同時(shí)滿(mǎn)足單向輻射特性。文章詳細(xì)分析了天線(xiàn)輻射原理，仿真結(jié)果表明該天線(xiàn)具有良好的單向輻射性能，并且具有極低的剖面（天線(xiàn)厚度為0.0290λ）。對(duì)于衛(wèi)星，飛機(jī)等結(jié)構(gòu)尺寸要求極為嚴(yán)格的平臺(tái)，該天線(xiàn)是一種較好的單元天線(xiàn)形式。