加载SIW背腔的低剖面缝隙天线

穆欣

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

低剖面天线具有纵向尺寸小，易共形等优点被广泛应用在卫星、飞机等平台上。微带缝隙天线是一种常见的低剖面天线形式，但其双向辐射特性限制了应用范围。为了实现单向辐射，通常在缝隙天线背面四分之一波长处加载反射板或反射腔，但这样增大了天线的尺寸，破坏了其低剖面特性。

为了实现单向辐射的低剖面辐射天线，文献[1]利用介质波长比自由空间波长小的特性，采用介质反射腔体代替空气反射腔，降低了反射腔高度，实现了一定程度的低剖面性能；文献[2]利用异形的金属反射板代替金属平板实现减小反射板高度；上述方法均基于间距四分之一波长金属地板对辐射波的反射同相叠加原理，未能从根本上实现低剖面。文献[3]利用超材料技术，将周期性的金属贴片集成在反射板上，利用周期性结构的零反射相位带隙特性，将四分之一波长间距缩小为0.1波长甚至更小，该方法需要严格控制天线与反射板的间距，造成天线结构复杂，实现困难比较大。本文利用介质集成波导（Substrate Integrated Waveguide，SIW）构成微带谐振腔，在谐振腔上开矩形缝隙实现辐射，通过带地共面波导（Grounded Coplanar Waveguide，GCPW）馈电，实现了具有单向辐射性能的缝隙天线，该天线摆脱了四分之一波长处的反射板的限制，从根本上实现了低剖面。同时该天线结构简单，制作工艺难度小。

SIW技术首先被Wu提出[4]，它与常见的金属壁波导具有类似的传输线特性，可以看成“薄板”波导。SIW是由刻蚀了一定的金属化通孔，且两面印制金属层的印制板构成，金属化通孔形成电壁，与上下两层金属面形成波导结构。通常金属化通孔可以看成波导的窄边壁，两面金属层可以看称波导的宽边壁，如果在SIW一端再加一排金属化通孔形成短路壁，这就形成SIW谐振腔。本文在谐振腔壁上开矩形缝隙，并合理调整缝隙和谐振腔的结构尺寸，就能满足一定的天线辐射要求。GCPW是一种平面传输线，它是在传统的CPW传输线基础上增加了地板，该结构不改变CPW的传输线特性，是一种常用的SIW谐振腔馈电形式[4]。本文设计的加载SIW背腔的缝隙天线可以看成是利用SIW谐振腔在波导宽边开缝隙的波导缝隙天线，这样天线不仅集成了微带缝隙天线的低剖面特性还集成了波导缝隙天线的单向辐射特性。本文设计的天线厚度只有0.0290λ，比起传统的四分之一波长反射板形式，天线剖面降低了89%。

1 天线设计

天线外形结构如图1所示。

图1 天线背部透视图和横截面图

天线集成在一块介电常数为2.55的介质板上，介质板正面是刻蚀了矩形缝隙的金属地，背面是50欧的GCPW馈电结构。缝隙四周用金属化通孔围成矩形腔体，为了使金属化通孔能够代替金属壁，其大小和间距满足以下条件[5-6]：d/dp≥0.5，d/λ0≤0.1，其中d是孔直径，dp是孔间距，λ0是自由空间波长。

如图2所示，将SIW围成的部分看成波导谐振腔，调整谐振腔体的宽窄比例，使腔内谐振电磁场主模为 TE120模[4]，缝隙开在谐振腔偏中心位置，沿GCPW馈线左右对称，可以看出产生了垂直于缝隙的电场，并且缝隙两侧电场方向相反。正是这种结构造成了垂直于介质板表面的电场分量互相抵消，而平行于介质板表面的电场分量叠加，产生了与馈线平行方向极化的电磁波辐射。

图2 天线电场矢量分布图

图3 谐振频率随腔体厚度H变化

图4 谐振频率随缝隙长度Ls变化

在上述分析基础上，进行了如下仿真，并得到结论：

（1）谐振腔大小会影响谐振频率，即腔体厚度H和长度Ws将影响天线谐振频率，腔体尺寸越小谐振频率越高。

仿真分析H和Ws参数对谐振频率的影响也证明这一点。如图3和图4所示。

（2）缝隙位置Ps影响天线阻抗匹配。

由于谐振腔不同区域的场分布不同，对应每一点的阻抗不同，为了满足馈线 50欧的阻抗匹配，需要调节缝隙位置。由于天线沿着馈线左右结构对称，因此阻抗也是左右对称，所以阻抗匹配的缝隙位置为Ps=15.5mm，如图1所示。仿真对比结果如图5所示。

图5 驻波比随Ps变化

（3）缝隙长度Ls在一定程度上影响天线谐振频率。Ls越大，谐振频率越低，反之谐振频率越高。在此需要提出，由于该天线对应谐振腔在TE120模式下工作，当频率变化，谐振腔不能满足TE120模式谐振，天线将不能辐射，因此Ls对天线谐振频率仅有一定程度的影响。仿真结果如图6所示。

图6 谐振频率随腔体长度Ws变化

2 天线仿真结果

利用 HFSS13仿真天线，天线中心频率为 f0，天线结构尺寸如图1所示，其中仿真的驻波比如图7所示，天线的辐射方向图如图8所示。

图7 驻波比

从图7、图8中可见，天线的阻抗带宽达到了60MHz，天线实现了单向辐射，且增益达到了5.9dBi。该天线厚度仅有0.0290λ，具备极低的剖面，可以被应用在卫星，飞机等对尺寸要求极为严格的平台上。

从仿真结果看，该类型天线也有带宽窄，增益不高两个缺点。主要原因如下：

（1）该天线辐射基于SIW谐振腔的强谐振，谐振腔尺寸不仅限制了谐振频率，同时限制了天线带宽，造成天线带宽比较窄，一般情况下约为 3～5%；

（2）在该类型天线中，电磁波首先介质中谐振，然后通过缝隙辐射，因此天线的介质损耗较大。

3 结论

本文设计了加载SIW背腔的缝隙天线，该天线集成了微带缝隙天线的低剖面特性，同时满足单向辐射特性。文章详细分析了天线辐射原理，仿真结果表明该天线具有良好的单向辐射性能，并且具有极低的剖面（天线厚度为0.0290λ）。对于卫星，飞机等结构尺寸要求极为严格的平台，该天线是一种较好的单元天线形式。