基于半模基片集成波導的雙頻段縫隙天線*

譚立容，倪 瑛，張照鋒，伍瑞新

(1.南京信息職業技術學院，南京210046;2.南京工業職業技術學院，南京210023; 3.南京大學電子科學與工程學院，南京210093)

基于半模基片集成波導的雙頻段縫隙天線*

譚立容1，3*，倪 瑛2，張照鋒1，伍瑞新3

(1.南京信息職業技術學院，南京210046;2.南京工業職業技術學院，南京210023; 3.南京大學電子科學與工程學院，南京210093)

基于半模基片集成波導技術，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，一段半共面波導結構和具有輻射縫隙的半模基片集成波導諧振腔構成，利用半模基片集成波導諧振腔的多模式工作特性實現了天線多頻段特性。仿真和測試結果表明，該天線能同時工作在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)，不需要同時采用兩個天線，具有便于和平面電路集成、體積小、結構簡單、成本低等優點。

雙頻段天線;半模基片集成波導;諧振腔;縫隙天線

近年來隨著無線通信系統的廣泛使用，無線通信系統中常常呈現多種工作頻段共存的局面。采用多個獨立天線來實現對多標準多系統兼容的方法已經顯得不實用，它會導致系統空間和材料的浪費。在既要雙頻段工作又要滿足降低整體成本、減輕重量、減小雷達散射截面等的要求下，人們對雙頻段天線的研究也越來越關注。

目前，雙頻段天線的研究很多，常見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移動通信雙頻段，用于衛星地面測控站的C/L雙頻段，跟蹤載人飛船的Ku/S雙頻段，用于遙測跟蹤的S/X雙頻段等等，以滿足各種各樣的通信需要。其中的一個重要研究內容是實現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［8］SIW(Substrate Integrated Waveguide)是一種平面波導結構，相比與金屬空管式波導結構尺寸大大減少。而半模基片集成波導［9］HSIW(Half-Mode Substrate Integrated Waveguide)的傳播特性和生產工藝類似基片集成波導，都是通過在上下底面為金屬層的低損耗介質基片上，利用金屬化通孔陣列而實現的，但和同頻率基片集成波導相比它的尺寸縮小一半。因此，可基于半模基片集成波導技術實現尺寸更小的天線。基于半模基片集成波導的天線研究主要集中在以下幾個方面:半模基片集成波導饋電的天線(如，寬帶對數周期偶極子陣列天線［10］)、半模基片集成波導漏波天線［11］、基于半模基片集成波導的縫隙陣列天線［12］等等。從目前國內外公開文獻來看，基于半模基片集成波導技術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的雙頻段縫隙天線，優化設計后的天線能同時工作在C頻段和X頻段，且便于和平面電路集成、體積小。對該天線的實際測量表明，仿真結果和實驗結果相一致，具有較好工作性能。

1 天線結構與理論設計

圖1給出了所提出的半模基片集成波導天線結構，在天線覆銅介質基片一側設有一排金屬化通孔2、前后設有兩排金屬化通孔陣列1和3。金屬化通孔和介質基片上的覆銅連通，從而構成了一個半模基片集成波導諧振腔。由基片集成波導諧振腔相關理論，基片集成波導諧振腔只能存在TEmnq(m≠0，n≠0，q=0)諧振模式，其中，下標m表示場強沿x軸方向變比時出現的最大值數目(半波數)，下標n表示場強沿y軸方向變化時出現的最大值個數(半波數)，由于z軸方向厚度遠小于波長，故q=0。由于TM模式會感應出沿側壁縱向流動的表面電流，相鄰金屬孔之間的縫隙所形成的狹槽會阻斷表面電流的流動，因此它不能夠在SIW諧振腔存在。

所設計的雙頻段天線利用半模基片集成波導諧振腔的多模式工作特性實現天線多頻段特性。通過在下表面金屬層開設的兩個橫向縫隙實現對外輻射，天線的諧振頻率由半模基片集成波導諧振腔和縫隙的尺寸決定。為了解決天線的測試和連接問題，饋電微帶線與半模基片集成波導過渡處設有一段半共面波導(GCPW)結構，其設計原理和共面波導原理相似，這一段半共面波導結構的存在使得能量在連接處發生集中，起到一定的匹配作用。

應用仿真軟件HFSS對該天線結構尺寸進行優化設計，經優化設計的天線尺寸為:雙頻段縫隙天線的總長度L和總寬度W分別為24.8 mm、12.4 mm;半模基片集成波導的下表面金屬層所開兩個一樣尺寸條形縫隙4的長度Sl、寬度Sw分別為7.4 mm、1 mm，體現開縫位置的E=2.9 mm、F=0.6 mm，兩個條形縫隙的間距D=12 mm;饋電微帶線的寬度C3為2.4 mm、長度Lm=5 mm;所有的金屬化通孔直徑為1 mm，相鄰兩個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過渡處設有一段半共面波導，它的寬度C2=0.6 mm、間距C1=0.7 mm、長度D1=6 mm。

圖1 天線結構示意圖

圖2給出了所設計半模基片集成波導雙頻段縫隙天線輸入端的反射系數S11參數隨頻率變化圖，仿真結果顯示天線能同時工作在C頻段(諧振點頻率為5.74 GHz，對應S11=-22 dB)和X頻段(諧振點頻率為11.26 GHz，對應S11=-18 dB)。C頻段諧振點對應半模基片集成波導諧振腔的半TE110諧振模式(場分布如圖3)，X頻段諧振點對應半模基片集成波導諧振腔的半 TE120諧振模式(場分布如圖4)。

圖2 天線S參數的頻率特性

圖3 C頻段諧振點對應的半TE110模式天線表面場分布圖

圖4 X頻段諧振點對應的半TE120模式天線表面場分布圖

2 實驗結果

基于上述優化設計的天線尺寸，我們采用厚度為0.8 mm的國產F4BM基板(εr=2.2，tanδ=0.001)實際制備了該雙頻段縫隙天線。圖5給出了該天線實物照片，天線尺寸大小24.8 mm×12.4 mm。

圖5 實際制備的天線照片

我們使用矢量網絡分析儀PNA8363測試了所設計半模基片集成波導雙頻段縫隙天線輸入端的反射系數，測量結果如圖2所示。從測試結果可看到，測量和仿真結果較好地吻合，天線能同時工作在C頻段(諧振點頻率為5.74 GHz，對應S11=-21.86 dB)和X頻段(諧振點頻率為11.33 GHz，對應S11= -25.09 dB)。

圖6為仿真和測試得到的E面和H面方向圖，方向圖測試是在微波暗室里完成的。從該圖中可發現測試結果與仿真結果大致符合，結果顯示天線在C頻段諧振點具全向輻射特性(諧振點增益為2.2 dBi)，在X頻段諧振點具定向輻射特性(諧振點增益為5.4 dBi)。和文獻［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6.68 GHz，8.88 GHz，9.56 GHz，10.61 GHz對應增益分別為為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，實現了小尺寸的C/X雙頻段工作天線。

圖6 天線歸一化輻射方向圖

3 結論

本文應用半模基片集成波導諧振腔的多諧振模式工作特點，設計并實現了一種新型雙頻段縫隙天線，它能同時工作在C頻段和X頻段，其兩個工作頻點分別對應天線的兩個諧振模式。該雙頻段天線采用雙面單層電路板結構，通過印刷工藝即可實現，易于制造、易于和平面電路集成、結構簡單、體積小，可應用于WLAN、WIMAX、遙感遙測等領域。

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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 文獻標識碼:A 文章編號:1005-9490(2014)01-0005-04

項目來源:2012年南京信息職業技術學院科研基金重點項目(YKJ12-001);江蘇智能傳感器網絡工程技術研究開發中心開放基金項目(ZK12-04-07);國家自然科學基金項目(61071007)

2013-08-12修改日期:2013-09-18

EEACC:5270

譚立容(1977-)，女，貴州人，南京大學博士研究生，副教授，工程師，主要研究領域為微波器件及天線的設計研究，tanlirong77@163.com;

張照鋒(1974-)，男，河南人，副教授，主要研究領域為微波技術;

倪 瑛(1979-)，女，江蘇人，講師，主要研究領域為通信技術;

伍瑞新(1962-)，男，江蘇人，博士生導師，教授。主要從事人工電磁材料設計與應用，微波器件和技術等方面的研究，郵箱rxwu@nju.edu.cn。