霍興瀛，李 錚

(1.六盤水師范學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，553000，貴州，六盤水；2.北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院，100044，北京)

0 引言

在無(wú)線通信系統(tǒng)中，天線是保障其中圖像、聲音、環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可靠傳輸?shù)闹匾糠帧；刹▽?dǎo)憑借著低剖面、易集成，以及傳輸功率容量大、傳輸損耗小等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)得到了廣泛的研究和應(yīng)用，而雙頻帶天線更是在無(wú)線通信領(lǐng)域有著重要研究?jī)r(jià)值[1-5]。

根據(jù)天線的輻射方向圖模式，可以將天線分為側(cè)射天線、全向天線和端射天線。對(duì)側(cè)射天線研究較為廣泛[6-8]，已經(jīng)基于不同尺寸的輻射貼片提出了很多低剖面雙頻帶天線，其中部分雙頻帶天線還能同時(shí)實(shí)現(xiàn)圓極化[9]、低剖面[10]、小型化[11]、高隔離[12]、可重構(gòu)[13]等特定輻射特性。在全向天線方面，文獻(xiàn)[14]首次利用一組矩形貼片實(shí)現(xiàn)了雙頻帶全向輻射天線，同時(shí)實(shí)現(xiàn)其圓極化特性。除此之外，文獻(xiàn)[15-18]利用單個(gè)結(jié)構(gòu)的多模式輻射實(shí)現(xiàn)了雙頻帶天線的全向輻射。相比之下，對(duì)于端向輻射的雙頻帶天線的研究卻不多見，僅僅是提出了相關(guān)的概念[19]。本文設(shè)計(jì)了一種基于半模基片集成波導(dǎo)(SIW)的平面天線，通過設(shè)計(jì)輻射縫隙結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生2個(gè)輻射模式并使其同時(shí)諧振，實(shí)現(xiàn)基模的周向輻射與高次模的端向輻射。利用CST對(duì)天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，該天線的S參數(shù)，輻射效率都滿足天線設(shè)計(jì)要求，且天線剖面低、易集成、可延展性強(qiáng)，能夠應(yīng)用于無(wú)線通信系統(tǒng)；其中，工作在2.4 GHz的周向輻射天線適用于室內(nèi)無(wú)線電波覆蓋，而工作在5.8 GHz的端向輻射天線適用于狹窄的走廊或隧道空間的無(wú)線電波覆蓋。

1 天線結(jié)構(gòu)及原理

圖1是本文所提出的雙頻帶平面天線的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖1(a)是俯視圖，圖1(b)是側(cè)視圖。

(a)俯視圖 (b)側(cè)視圖

如圖1所示，在介質(zhì)表面覆有上下2層金屬板，其面積為介質(zhì)的一半，在金屬板邊緣設(shè)計(jì)單側(cè)圓柱金屬過孔，實(shí)現(xiàn)基于SIW的半模諧振腔結(jié)構(gòu)，而半模諧振腔相當(dāng)于磁偶極子，對(duì)其尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其基模在2.4 GHz產(chǎn)生輻射。在上下2層金屬貼片上設(shè)計(jì)2組對(duì)稱的交叉形縫隙，通過調(diào)節(jié)縫隙結(jié)構(gòu)尺寸，實(shí)現(xiàn)高次模的有效輻射[20]，從而實(shí)現(xiàn)雙頻帶輻射特性。該結(jié)構(gòu)利用同軸探針進(jìn)行饋電，饋電位置設(shè)計(jì)在貼片中心。

為了驗(yàn)證雙頻帶天線的工作原理，設(shè)計(jì)半模諧振腔在2.4 GHz頻段上利用基模輻射。利用金屬過孔將上下2層金屬貼片連接后，諧振腔剩余3個(gè)開放口面的電場(chǎng)分布如圖2所示。跟一個(gè)口面開放的諧振腔相比，3個(gè)口面同時(shí)開放的結(jié)構(gòu)具有更大的阻抗帶寬。

圖2 半模諧振腔開放口面電場(chǎng)分布

半模諧振腔的設(shè)計(jì)基于有損的F4B介質(zhì)板，其介質(zhì)常數(shù)為2.2，損耗角正切為0.000 7。因此，設(shè)計(jì)半模諧振腔的窄邊尺寸W近似為2.4 GHz對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的1/4。為了后續(xù)設(shè)計(jì)方便，設(shè)計(jì)半模諧振腔的寬邊尺寸L大于2.4 GHz對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的1/2。

2 天線仿真及分析

天線設(shè)計(jì)的交叉形縫隙由橫向和縱向矩形縫隙組合而成，橫縱向縫隙長(zhǎng)和寬分別為(Lxt,Lyt)和(Lyv,Lxv)，兩縫隙中心位置重疊，且縫隙邊緣與金屬貼片距離分別為L(zhǎng)x和Ly。金屬過孔半徑為d。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到一組參數(shù)：L=89.1 mm，W=20.2 mm，Lxt=20.8 mm，Lyt=1.1 mm，Lyv=10 mm，Lxv=1 mm，Lx=12 mm，Ly=4.6 mm，d=1 mm，使得天線能夠?qū)崿F(xiàn)雙頻帶輻射。

天線結(jié)構(gòu)S參數(shù)仿真結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯觯炀€可以工作在2.4 GHz和5.8 GHz 2個(gè)頻段。

圖3 天線S參數(shù)仿真結(jié)果

方向圖如圖4所示。不難看出，當(dāng)天線工作在2.4 GHz時(shí)，天線在周向360°范圍均產(chǎn)生輻射，且幅度較為均勻，最大增益2.2 dB；而當(dāng)天線工作在5.8 GHz時(shí)，天線只在端向一側(cè)產(chǎn)生輻射，方向性強(qiáng)，最大增益4.1 dB。

(a)頻率為2.4 GHz (b)頻率為5.8 GHz

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種雙頻帶的平面天線，基于半?；刹▽?dǎo)，設(shè)計(jì)了2組對(duì)稱組合型交叉縫隙，使天線基模工作在2.4 GHz頻段，產(chǎn)生周向均勻輻射，并利用高次模在5.8 GHz頻段產(chǎn)生端向?qū)挷ㄊ椛?。利?組垂直極化波同時(shí)諧振，實(shí)現(xiàn)2個(gè)獨(dú)立的輻射波束。由于天線是利用同軸探針饋電，因此存在帶寬較窄的問題，在下一步的研究中將針對(duì)這一問題進(jìn)行探索與改進(jìn)。