一種基于諧振腔多模輻射的雙頻帶天線研究

霍興瀛，李 錚

(1.六盤水師范學院計算機科學學院，553000，貴州，六盤水；2.北京交通大學電子信息工程學院，100044，北京)

0 引言

在無線通信系統中，天線是保障其中圖像、聲音、環境數據實時可靠傳輸的重要部分。基片集成波導憑借著低剖面、易集成，以及傳輸功率容量大、傳輸損耗小等諸多優點，已經得到了廣泛的研究和應用，而雙頻帶天線更是在無線通信領域有著重要研究價值[1-5]。

根據天線的輻射方向圖模式，可以將天線分為側射天線、全向天線和端射天線。對側射天線研究較為廣泛[6-8]，已經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實現圓極化[9]、低剖面[10]、小型化[11]、高隔離[12]、可重構[13]等特定輻射特性。在全向天線方面，文獻[14]首次利用一組矩形貼片實現了雙頻帶全向輻射天線，同時實現其圓極化特性。除此之外，文獻[15-18]利用單個結構的多模式輻射實現了雙頻帶天線的全向輻射。相比之下，對于端向輻射的雙頻帶天線的研究卻不多見，僅僅是提出了相關的概念[19]。本文設計了一種基于半模基片集成波導(SIW)的平面天線，通過設計輻射縫隙結構，產生2個輻射模式并使其同時諧振，實現基模的周向輻射與高次模的端向輻射。利用CST對天線結構進行仿真，該天線的S參數，輻射效率都滿足天線設計要求，且天線剖面低、易集成、可延展性強，能夠應用于無線通信系統；其中，工作在2.4 GHz的周向輻射天線適用于室內無線電波覆蓋，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線電波覆蓋。

1 天線結構及原理

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

(a)俯視圖 (b)側視圖

如圖1所示，在介質表面覆有上下2層金屬板，其面積為介質的一半，在金屬板邊緣設計單側圓柱金屬過孔，實現基于SIW的半模諧振腔結構，而半模諧振腔相當于磁偶極子，對其尺寸進行設計，使其基模在2.4 GHz產生輻射。在上下2層金屬貼片上設計2組對稱的交叉形縫隙，通過調節縫隙結構尺寸，實現高次模的有效輻射[20]，從而實現雙頻帶輻射特性。該結構利用同軸探針進行饋電，饋電位置設計在貼片中心。

為了驗證雙頻帶天線的工作原理，設計半模諧振腔在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個開放口面的電場分布如圖2所示。跟一個口面開放的諧振腔相比，3個口面同時開放的結構具有更大的阻抗帶寬。

圖2 半模諧振腔開放口面電場分布

半模諧振腔的設計基于有損的F4B介質板，其介質常數為2.2，損耗角正切為0.000 7。因此，設計半模諧振腔的窄邊尺寸W近似為2.4 GHz對應波長的1/4。為了后續設計方便，設計半模諧振腔的寬邊尺寸L大于2.4 GHz對應波長的1/2。

2 天線仿真及分析

天線設計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Lx和Ly。金屬過孔半徑為d。通過優化設計，得到一組參數：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，使得天線能夠實現雙頻帶輻射。

天線結構S參數仿真結果如圖3所示。可以看出，天線可以工作在2.4 GHz和5.8 GHz 2個頻段。

圖3 天線S參數仿真結果

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

(a)頻率為2.4 GHz (b)頻率為5.8 GHz

3 結論

本文設計了一種雙頻帶的平面天線，基于半模基片集成波導，設計了2組對稱組合型交叉縫隙，使天線基模工作在2.4 GHz頻段，產生周向均勻輻射，并利用高次模在5.8 GHz頻段產生端向寬波束輻射。利用2組垂直極化波同時諧振，實現2個獨立的輻射波束。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這一問題進行探索與改進。