一種新型Ku波段背腔式縫隙天線的研究

翟建龍

（中北大學(xué)，山西 太原 030051）

0 引言

隨著現(xiàn)代無(wú)線技術(shù)的迅速發(fā)展，天線成為無(wú)線應(yīng)用的關(guān)鍵部件，因此對(duì)天線性能也提出了更高的要求。

微帶貼片天線具有重量輕、尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、輻射損耗低、易集成、輻射特性好等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。但由于一般的微帶天線帶寬較窄，陣列損耗大的缺點(diǎn)，使其在應(yīng)用上受到很大的限制。微帶縫隙天線具有高增益、重量輕、副瓣低、小型化、易加工等特點(diǎn)，一直在無(wú)線通信領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)有的微帶縫隙天線有環(huán)形縫隙微帶天線、矩形縫隙微帶天線、折疊縫隙微帶天線、漸變縫隙微帶天線、分形天線，其帶寬可達(dá)到10%～100%。提出了一種背腔式六邊形縫隙天線，其采用基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)諧振腔體并有微帶線和線性漸變過(guò)渡段進(jìn)行饋電，通過(guò)調(diào)節(jié)六邊形縫隙大小，使得天線達(dá)到帶寬147MHz，增益4.87dB。設(shè)計(jì)了一種W波段基片集成波導(dǎo)背腔縫隙天線，該天線的阻抗帶寬達(dá)到28.6%，覆蓋了W波段75%的頻帶范圍，且交叉極化極低。采用共面波導(dǎo)傳輸方式設(shè)計(jì)了一種缺陷接地結(jié)構(gòu)的啞鈴型縫隙天線，實(shí)現(xiàn)了抑制高次諧波的效果。共面波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)由帶狀的中心金屬導(dǎo)體饋電和兩邊的槽線組成，并制作在電介質(zhì)層的上表面。共面波導(dǎo)饋電與傳統(tǒng)的微帶傳輸線饋電方式相比具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于與有源或無(wú)源設(shè)備共形、避免了基片的穿孔和開(kāi)槽、有效減少了輻射損耗等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí),共面波導(dǎo)的特性阻抗僅由中心饋電金屬和兩邊槽線的比值確定，可以通過(guò)適當(dāng)改變比值達(dá)到有效減小尺寸的目的。

本文設(shè)計(jì)并加工了一種Ku波段背腔式縫隙天線，詳細(xì)分析了縫隙天線結(jié)構(gòu)中背腔深度h、縫隙的寬度W、長(zhǎng)度L對(duì)天線性能的影響，并實(shí)際測(cè)試了天線樣機(jī)的性能。該縫隙天線頻帶寬，高增益，易集成，加工成本低，在實(shí)際中有廣泛的應(yīng)用前景。

1 天線設(shè)計(jì)

利用高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件（HFSS）對(duì)所提出的背腔式縫隙天線進(jìn)行建模分析以及仿真優(yōu)化，得出天線性能最優(yōu)時(shí)的結(jié)構(gòu)參數(shù)：L=23mm，W=7.3mm，t=2mm，h=3mm，s=0.11mm，w=1mm，a=13.5mm，b=23.6mm。通過(guò)仿真最優(yōu)參數(shù)得到的回波損耗S11如圖2所示，天線的諧振頻率f=13.34GHz，在頻段11.00～14.12GHz內(nèi)的S11參數(shù)小于-10dB，帶寬為3.12GHz。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 S11 隨f 的變化曲線

2 性能分析

2.1 縫隙尺寸對(duì)天線性能的影響

為了使天線達(dá)到良好的阻抗匹配效果，產(chǎn)生較大的阻抗帶寬，通過(guò)HFSS軟件的優(yōu)化分析功能來(lái)分析改變縫隙尺寸對(duì)天線性能的影響。

首先對(duì)縫隙長(zhǎng)度L對(duì)天線回波損耗的影響進(jìn)行分析，當(dāng)分別取L=22mm、23mm、24mm時(shí)，S11的仿真結(jié)果如圖3所示。可以看出隨著縫隙長(zhǎng)度L逐漸增加，天線的諧振頻率發(fā)生變化，阻抗帶寬則隨著L值的增大而減小，且當(dāng)L=23mm時(shí)，回波損耗S11最低，天線的阻抗匹配最好。

圖3 S11 隨L 的變化曲線

當(dāng)縫隙寬度W=7.2mm、7.3mm、7.4mm時(shí)，天線的回波損耗仿真結(jié)果如圖4所示。可以看出隨著蝶形縫隙寬度W的增大，天線的諧振頻率發(fā)生變化，且當(dāng)W=7.3mm時(shí)，回波損耗S11最低，天線的阻抗匹配最好。

圖4 S11 隨W 的變化曲線

2.2 背腔厚度對(duì)天線性能的影響

背腔厚度h對(duì)天線性能的影響如圖5所示，可以看出隨著背腔厚度h逐漸增加，天線的諧振頻率逐漸變低，阻抗帶寬則隨著h值的增大而減小，且當(dāng)h=2mm時(shí)，回波損耗S11最低，天線的阻抗匹配最好。

圖5 S11 隨h 的變化曲線

3 天線測(cè)試

實(shí)際測(cè)試中將SMA接頭焊接到天線饋電端，天線樣機(jī)如圖6所示。圖7所示為設(shè)計(jì)天線的S11參數(shù)仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖。仿真結(jié)果表明該天線在頻段11.00～14.12GHz內(nèi)的S11參數(shù)小于-10dB，帶寬為3.12GHz。測(cè)試結(jié)果顯示：該背腔式縫隙天線的S11參數(shù)小于-10dB的頻段為11.00～14.02GHz，帶寬為3.02GHz，相對(duì)帶寬為24.14%，諧振頻率稍微右移且回波損耗減小。形成差別的主要原因可能是在背腔的制作過(guò)程中由于制作條件有限使背腔沒(méi)有達(dá)到仿真時(shí)的理想條件，對(duì)基片的厚度及介電常數(shù)產(chǎn)生了影響，同時(shí)由于測(cè)試環(huán)境存在的誤差導(dǎo)致測(cè)試得到的諧振頻率與仿真的諧振頻率出現(xiàn)不一致的現(xiàn)象，但測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合[3]。

圖6 天線實(shí)物圖

圖7 天線測(cè)試圖

用微波暗室測(cè)試了天線的輻射性能，將測(cè)試得到的13GHz下的E面和H面結(jié)果與仿真得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果如圖8所示，仿真結(jié)果表明該天線的最大輻射增益為8.44dB，測(cè)試結(jié)果顯示該天線的最大輻射增益為8.07dB，由于受實(shí)驗(yàn)臺(tái)和制造工藝的限制，實(shí)測(cè)的輻射方向圖基本與仿真結(jié)果之間存在一定的一致性，實(shí)現(xiàn)了相對(duì)的高增益[4-5]。

圖8 天線輻射方向圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種適用于Ku波段的共面波導(dǎo)饋電的背腔式縫隙天線，通過(guò)HFSS的仿真和優(yōu)化，討論了縫隙寬度W、長(zhǎng)度L和背腔厚度h對(duì)天線性能的影響，并對(duì)天線樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，仿真數(shù)據(jù)和測(cè)試結(jié)果表明，該天線帶寬大于3GHz，增益大于8dB，具有良好的輻射增益和阻抗匹配性。該天線頻帶寬，高增益，易集成，加工成本低，在實(shí)際中有廣泛的應(yīng)用前景。