60GHZ的e形槽形基片集成波導(dǎo)天線

李彥萩 電子科技大學(xué) 四川成都 610000

一、前言

30GHz向100GHz以上的毫米波的演化受到了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界越來越多的關(guān)注。比如，無線通信網(wǎng)絡(luò)(60GHz)，汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)(79GHz)，被動(dòng)毫米波成像(94GHz)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。然而，60GHz的電磁波易被空氣中的氧氣吸收，從而在空氣中傳播衰減大，只能短距離傳輸。為了減小傳播損耗，研究高增益的60GHz天線越來越成為時(shí)代的熱。

基片集成波導(dǎo)(SIW)是一種適用于解決矩形波導(dǎo)中出現(xiàn)的問題的技術(shù)，用于實(shí)現(xiàn)毫米波應(yīng)用。SIW是一種類似波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)，由上下金屬面以及連接上、下表層的兩排金屬孔組成，金屬通孔與介質(zhì)的上下金屬表面形成能傳播準(zhǔn)TE模型的矩形結(jié)構(gòu)腔體。由于其簡單的設(shè)計(jì)，印刷電路板工藝(PCB)或其他平面加工技術(shù)被用于制造。SIW的主要優(yōu)點(diǎn)是具有主動(dòng)元器件、被動(dòng)元器件和天線的平面集成。

由于縫隙天線地剖面、易于與平面電路集成以及更好的與饋電網(wǎng)絡(luò)隔離，使得被廣泛應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)中。一種簡單的背襯腔縫隙天線也稱為短端波導(dǎo)。

本文提出了一種用于57-64 GHz頻率應(yīng)用的基片集成波導(dǎo)背腔天線。

二、Siw設(shè)計(jì)

其中“s”表示兩個(gè)孔之間的距離；“h”表示SIW的高度，“d”表示孔的直徑。SIW受矩形波導(dǎo)的約束，a表示矩形波導(dǎo)寬度，b表示矩形波導(dǎo)長度。

由于基片集成波導(dǎo)襯底上有填充孔，且主導(dǎo)模式為TE10，沒有橫向磁場(chǎng)(TM)。所以截止頻率是

為介質(zhì)填充矩形波導(dǎo)的寬度。在這種情況下，SIW寬度取決于d，如式

保持金屬通孔之間的無輻射損耗。它必須滿足下面的方程

三、天線結(jié)構(gòu)

圖3所示的天線中心頻率為60GHz，天線介質(zhì)材料選擇RT / Duriod 5880，材板厚度為0.381毫米，黃色代表對(duì)銅，白色代表介質(zhì)襯底和通孔用銅通過介質(zhì)襯底連接頂部和底部。用HFSS軟件仿真。圖3所示為E形背腔siw天線，尺寸 為 9.5*4*0.381mm，W1=0.3mm，L1=0.46mm，W2=2.6mm，L2=1.2mm，L3=7.5mm，L4=6.3mm，W4=2.94mm，d=0.3mm，S=0.42mm，L5=W5=L6=1mm，L7=0.8mm，W6=2.55mm。

圖1：E形背腔siw天線

天線頻帶寬度是指天線的主要指標(biāo)如增益、輸入阻抗、極化特性等均滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)的頻帶范圍。輸入阻抗隨頻率變化。當(dāng)天線輸入端電壓一定時(shí)，輸入端電流就會(huì)隨頻率變化，由阻抗定義可知，天線輸入阻抗也會(huì)隨之變化，從而確定天線帶寬。此外，工程上天線的阻抗帶寬也可以用饋線上的電壓駐波比來表示，以駐波比低于某一規(guī)定值時(shí)的頻帶寬度為天線的阻抗帶寬。圖1所示為具有55-65GHz頻率范圍的天線諧振頻率(GHz)與反射系數(shù)(dB)，達(dá)到1.65GHz的阻抗帶寬，在58.48GHz到61.88 GHz之間，諧振頻率為60.13GHz。

圖2：反射系數(shù)S11

圖3：的三維增益圖

天線的方向圖用來描述天線輻射電磁場(chǎng)強(qiáng)度在空間的分布狀況，一般是一個(gè)三維空間的

曲面立體圖形，是與天線等距離處，天線輻射場(chǎng)大小在空間中的相對(duì)分布隨方向變化的圖形。

依據(jù)歸一化方向函數(shù)而繪出的為歸一化方向圖。圖3給出了天線在60GHz處的三維增益圖，可以看出在60GHz處的增益為7.04 dBi，并觀察到主瓣方向沿z方向。

四、結(jié)果

介紹了一種基于SIW諧振腔的e型槽形天線的設(shè)計(jì)。觀察了反射系數(shù)、增益、VSWR和效率等結(jié)果，在- 10db參考線上達(dá)到1.65 GHz阻抗帶寬，與VSWR(2：1)匹配。該天線在57-64 GHz頻帶內(nèi)保持23.6%的帶寬范圍，諧振頻率為60.13GHz。提出的60GHz天線的增益為7.04 dBi。