基于半模基片集成波导的双频段缝隙天线*

2014-09-28谭立容张照锋伍瑞新

电子器件 2014年1期

关键词：基片谐振腔波导

谭立容，倪瑛，张照锋，伍瑞新

(1.南京信息职业技术学院，南京210046;2.南京工业职业技术学院，南京210023; 3.南京大学电子科学与工程学院，南京210093)

基于半模基片集成波导的双频段缝隙天线*

谭立容1，3*，倪瑛2，张照锋1，伍瑞新3

(1.南京信息职业技术学院，南京210046;2.南京工业职业技术学院，南京210023; 3.南京大学电子科学与工程学院，南京210093)

基于半模基片集成波导技术，提出了一种适用于微波集成电路的双频段缝隙天线。该双频段天线由馈电微带线，一段半共面波导结构和具有辐射缝隙的半模基片集成波导谐振腔构成，利用半模基片集成波导谐振腔的多模式工作特性实现了天线多频段特性。仿真和测试结果表明，该天线能同时工作在C频段(谐振频率5.74 GHz，S11=-21.86 dB)和X频段(谐振频率11.33 GHz，S11=-25.09 dB)，不需要同时采用两个天线，具有便于和平面电路集成、体积小、结构简单、成本低等优点。

双频段天线;半模基片集成波导;谐振腔;缝隙天线

近年来随着无线通信系统的广泛使用，无线通信系统中常常呈现多种工作频段共存的局面。采用多个独立天线来实现对多标准多系统兼容的方法已经显得不实用，它会导致系统空间和材料的浪费。在既要双频段工作又要满足降低整体成本、减轻重量、减小雷达散射截面等的要求下，人们对双频段天线的研究也越来越关注。

目前，双频段天线的研究很多，常见的双频段天线可分为以下几种类型:双频段微带缝隙天线［1］、双频段圆锥喇叭天线［2］、双频段单极子天线［3-4］、双频段平面倒置F型(PIFA)天线［5］、双频段螺旋天线［6］、双频段贴片天线［7］等等。它们工作的双频段常见以下几种类型:VHF/UHF双频段，WLAN的2.4 GHz/ 5.2 GHz/5.8 GHz多频段，射频识别(RFID)2.45 GHz和5.80 GHz双频段，WiMAX2.5 GHz/3.5 GHz/5.8 GHz多频段，C/Ku双频段，GSM900 MHz/DCS1800 MHz移动通信双频段，用于卫星地面测控站的C/L双频段，跟踪载人飞船的Ku/S双频段，用于遥测跟踪的S/X双频段等等，以满足各种各样的通信需要。其中的一个重要研究内容是实现容易和平面电路集成的，尺寸小的双频段天线。

基片集成波导［8］SIW(Substrate Integrated Waveguide)是一种平面波导结构，相比与金属空管式波导结构尺寸大大减少。而半模基片集成波导［9］HSIW(Half-Mode Substrate Integrated Waveguide)的传播特性和生产工艺类似基片集成波导，都是通过在上下底面为金属层的低损耗介质基片上，利用金属化通孔阵列而实现的，但和同频率基片集成波导相比它的尺寸缩小一半。因此，可基于半模基片集成波导技术实现尺寸更小的天线。基于半模基片集成波导的天线研究主要集中在以下几个方面:半模基片集成波导馈电的天线(如，宽带对数周期偶极子阵列天线［10］)、半模基片集成波导漏波天线［11］、基于半模基片集成波导的缝隙阵列天线［12］等等。从目前国内外公开文献来看，基于半模基片集成波导技术的双频段天线研究还很少。

本文提出了一种基于半模基片集成波导的双频段缝隙天线，优化设计后的天线能同时工作在C频段和X频段，且便于和平面电路集成、体积小。对该天线的实际测量表明，仿真结果和实验结果相一致，具有较好工作性能。

1 天线结构与理论设计

图1给出了所提出的半模基片集成波导天线结构，在天线覆铜介质基片一侧设有一排金属化通孔2、前后设有两排金属化通孔阵列1和3。金属化通孔和介质基片上的覆铜连通，从而构成了一个半模基片集成波导谐振腔。由基片集成波导谐振腔相关理论，基片集成波导谐振腔只能存在TEmnq(m≠0，n≠0，q=0)谐振模式，其中，下标m表示场强沿x轴方向变比时出现的最大值数目(半波数)，下标n表示场强沿y轴方向变化时出现的最大值个数(半波数)，由于z轴方向厚度远小于波长，故q=0。由于TM模式会感应出沿侧壁纵向流动的表面电流，相邻金属孔之间的缝隙所形成的狭槽会阻断表面电流的流动，因此它不能够在SIW谐振腔存在。

所设计的双频段天线利用半模基片集成波导谐振腔的多模式工作特性实现天线多频段特性。通过在下表面金属层开设的两个横向缝隙实现对外辐射，天线的谐振频率由半模基片集成波导谐振腔和缝隙的尺寸决定。为了解决天线的测试和连接问题，馈电微带线与半模基片集成波导过渡处设有一段半共面波导(GCPW)结构，其设计原理和共面波导原理相似，这一段半共面波导结构的存在使得能量在连接处发生集中，起到一定的匹配作用。

应用仿真软件HFSS对该天线结构尺寸进行优化设计，经优化设计的天线尺寸为:双频段缝隙天线的总长度L和总宽度W分别为24.8 mm、12.4 mm;半模基片集成波导的下表面金属层所开两个一样尺寸条形缝隙4的长度Sl、宽度Sw分别为7.4 mm、1 mm，体现开缝位置的E=2.9 mm、F=0.6 mm，两个条形缝隙的间距D=12 mm;馈电微带线的宽度C3为2.4 mm、长度Lm=5 mm;所有的金属化通孔直径为1 mm，相邻两个金属化通孔圆心的间距Lg为1.5 mm;馈电微带线与半模基片集成波导过渡处设有一段半共面波导，它的宽度C2=0.6 mm、间距C1=0.7 mm、长度D1=6 mm。

图1 天线结构示意图

图2给出了所设计半模基片集成波导双频段缝隙天线输入端的反射系数S11参数随频率变化图，仿真结果显示天线能同时工作在C频段(谐振点频率为5.74 GHz，对应S11=-22 dB)和X频段(谐振点频率为11.26 GHz，对应S11=-18 dB)。C频段谐振点对应半模基片集成波导谐振腔的半TE110谐振模式(场分布如图3)，X频段谐振点对应半模基片集成波导谐振腔的半 TE120谐振模式(场分布如图4)。

图2 天线S参数的频率特性

图3 C频段谐振点对应的半TE110模式天线表面场分布图

图4 X频段谐振点对应的半TE120模式天线表面场分布图

2 实验结果

基于上述优化设计的天线尺寸，我们采用厚度为0.8 mm的国产F4BM基板(εr=2.2，tanδ=0.001)实际制备了该双频段缝隙天线。图5给出了该天线实物照片，天线尺寸大小24.8 mm×12.4 mm。

图5 实际制备的天线照片

我们使用矢量网络分析仪PNA8363测试了所设计半模基片集成波导双频段缝隙天线输入端的反射系数，测量结果如图2所示。从测试结果可看到，测量和仿真结果较好地吻合，天线能同时工作在C频段(谐振点频率为5.74 GHz，对应S11=-21.86 dB)和X频段(谐振点频率为11.33 GHz，对应S11= -25.09 dB)。

图6为仿真和测试得到的E面和H面方向图，方向图测试是在微波暗室里完成的。从该图中可发现测试结果与仿真结果大致符合，结果显示天线在C频段谐振点具全向辐射特性(谐振点增益为2.2 dBi)，在X频段谐振点具定向辐射特性(谐振点增益为5.4 dBi)。和文献［13］中的C/X双频段双面印刷偶极子天线(尺寸75 mm×50 mm，满足S11＜-10 dB的谐振点6.68 GHz，8.88 GHz，9.56 GHz，10.61 GHz对应增益分别为为3 dBi、4.1 dBi、2.9 dBi、3.5 dBi)相比，该天线的面积是其8.2%、天线性能大体一样，实现了小尺寸的C/X双频段工作天线。

图6 天线归一化辐射方向图

3 结论

本文应用半模基片集成波导谐振腔的多谐振模式工作特点，设计并实现了一种新型双频段缝隙天线，它能同时工作在C频段和X频段，其两个工作频点分别对应天线的两个谐振模式。该双频段天线采用双面单层电路板结构，通过印刷工艺即可实现，易于制造、易于和平面电路集成、结构简单、体积小，可应用于WLAN、WIMAX、遥感遥测等领域。

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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 文献标识码:A 文章编号:1005-9490(2014)01-0005-04

项目来源:2012年南京信息职业技术学院科研基金重点项目(YKJ12-001);江苏智能传感器网络工程技术研究开发中心开放基金项目(ZK12-04-07);国家自然科学基金项目(61071007)

2013-08-12修改日期:2013-09-18

EEACC:5270

谭立容(1977-)，女，贵州人，南京大学博士研究生，副教授，工程师，主要研究领域为微波器件及天线的设计研究，tanlirong77@163.com;