缝隙封装天线近场特性的仿真研究

2014-03-05温煜东

晋城职业技术学院学报 2014年3期

温煜东

（晋中职业技术学院，山西晋中 030600）

一、前言

随着电子通信技术的迅猛发展，人们对电磁波的利用越来越多。天线担负着接收和发射电磁波的功能，其性能的优劣直接决定着通信信号的好坏。与传统的反射面天线相比，缝隙天线具有体积小、重量轻、结构紧凑、安装方便、效率高、易实现低副瓣等优点，因而被广泛应用于多个领域。［1，2］

缝隙天线的研究始于20世纪40年代。2007年，金剑、万笑梅等人利用HFSS的S参数仿真结果，通过等效网络法计算了互耦环境下缝隙的导纳，并采用口径场反演的方法修正了缝隙的参数。［3］在带线馈电的缝隙天线中，平行板模式具有不连续的馈电线路和辐射缝，因此在多个频率下均会产生干扰共振并且辐射效率很低。为了克服这个问题，Jung-Min Kim等人通过使用具有不同介电常数的介质层来避免两平行导体平面之间的平行板模式。Haydl给导体逆向共平面波导管增加了过孔，当过孔放在适当位置时，干扰模式在选定的频率范围内得到有效抑制。

为了实现通信设备的小型化，可以将多个器件整合成一个器件，组成一个封装模块。

如果将一种弯曲缝隙天线集成在一个带有腔体的封装模块的表面，通过增加金属过孔使得天线的辐射方向更好，性能更优。利用HFSS仿真封装天线的性能，验证弯曲缝隙天线是否能够应用实际中，是否便于集成化，提高集成度。

二、HFSS仿真模型

封装天线由3层金属和两层基板堆叠构成。两层基板均使用了聚四氟乙烯（Teflon，介电常数为2.2，相对磁导率为1），大小为50mm*50mm，厚度分别为1.6mm和2.4mm。并在下层基板内蚀刻出一个50mm*50mm*1.6mm的腔体，其内部可放置集成的芯片和电路。在顶层金属上蚀刻了一条弯曲缝隙，中间层和底层金属分别作为天线地和封装地，构成缝隙封装天线模块。天线馈电采用同轴转带线耦合馈电的方式。在HFSS中构建出的天线模型如图1所示。

图1 封装天线的HFSS模型

三、仿真结果

HFSS中，扫频类型设为Fast，频率设置类型为LinearStep,范围从 1GHz到 10GHz，步长为 0.01GHz。运行求解分析，可以得到天线的仿真结果。

图2 缝隙天线的S参数

图2给出了缝隙天线S参数的仿真结果。由图可知，天线工作中心频率为5.2GHz，-10 dB带宽为130MHz。在工作频段内，天线的增益为2.92dBi。

四、封装性能的改善

图3 设置孔栅结构后的模型

图4 系统仿真结果

由于两层金属板之间产生的平行板模式，其复谐振在2.5 GHz到6 GHz频率范围内变化。这种情况下，在缝隙天线四周加上孔栅结构，使得弯曲缝隙天线被金属通孔包围以避免平行板波导模式的激励，此时这些寄生响应将会得到有效抑制（如图3所示）。围绕缝隙的过孔之间的距离为3 mm（0.06λg），围绕封装腔的过孔为6 mm（0.12λg）。此时，缝隙天线S参数的仿真结果如图4所示。天线工作中心频率为5.25 GHz，-10 dB带宽为150MHz。

图5给出了封装天线的辐射方向图。由图可知，天线的主要前向辐射电磁波，在工作频段内，天线的增益为4.42 dBi。在设置了孔栅结构以后，天线的增益提高了1.5 dB。