一种K频段基片集成波导背腔贴片天线设计

刘少辉

(华东电子工程研究所 合肥 230088)

0 引言

SIW基片集成波导属平面微波传输线结构，以标准的PCB工艺加工，和微带传输线同样具有平面导波结构，优点在于插入损耗及品质因数要好于微带传输线；与波导传输线相比，SIW体积小、重量轻、易于加工和实现平面集成，其具备的平面导波结构是波导结构无法达到的。在小型化、高灵敏度雷达系统及无线通信系统不断发展壮大的今天，SIW基片集成波导的优势逐步凸显，在微波毫米波领域的相关研究、应用蓬勃发展[6]。90年代末至今，SIW相关技术及产品不断被学者及工程应用界深入探讨。本文结合工程需求，介绍了一种工作在K频段的SIW贴片天线。

1 SIW传输线设计

SIW(Substrate Integrated Waveguide)传输线又称介质基片集成波导，它以某厚度介质板为基板，保留介质板上下面金属箔，通过连接上、下表面的适当孔径、孔间距的金属化通孔，来束缚微波传输的路径，形成了一种新型的平面化、小型化、低成本的传输线类型。由于SIW侧壁由等间距金属通孔构成，侧壁上沿波导轴向的表面电流被切断，所以支持持TE模式传输。由于厚度远小于宽度，因此一般只有TEm0模式存在[4]。

SIW传输线示意图如图2：

图2中w为SIW宽度，d为金属化通孔直径，s为相邻通孔间距，h为背腔介质片厚度。为了尽量减少损耗，在工作频段，三者尺寸应该满足式(1)关系[1]、[5]。

(1)

分析SIW传输线特性，可以等效为介质填充波导，其主模TE10的截止频率为

(2)

本设计SIW传输线宽度w取5.6mm，金属化通孔间距s取1.6mm，金属化通孔直径d取0.8mm[3]。

2 SIW背腔贴片天线设计

背腔贴片天线的辐射特性由矩形贴片的四条缝隙的辐射叠加确定，与微波传输方向垂直的两条长缝，具有同相的极化特性，在无穷远处形成干涉叠加效果。与微波传输方向平行的两条短缝，具有反相的极化特性，在无穷远处形成对消。因此，综合叠加的效果由两条长缝的极化决定，形成垂直于长缝的线极化波[3]。

实际工作中，贴片谐振于TE10模式，贴片所在谐振腔谐振在TE102模式，调节谐振腔的尺寸以及贴片、缝隙尺寸，可使得两个谐振模式同频工作，从而产生良好的辐射效果。

介质板采用介电常数为2.2的罗杰斯5880板材，贴片宽度可由下式初步确定：

(3)

其中，fr是天线的谐振频率。

(4)

其中，εe为等效介电常数

(5)

经过初步计算，如图3示，取贴片长度W=7.7mm、贴片宽度L=3.7mm、辐射缝隙宽度k=0.2mm、背腔馈电金属柱直径D=1.1mm。

3 仿真设计结果

确定了贴片天线的基本尺寸后，即可建立模型、设置辐射边界使用HFSS软件进行仿真优化，寻找贴片谐振模式TE10与谐振腔谐振模式TE102的同频工作点，以实现良好的自由空间辐射。

优化内容包括腔体横向尺寸、腔体纵向尺寸、背腔馈电金属柱点位、背腔馈电金属柱半径、缝隙宽度等。其中，天线指标对馈电金属柱半径及馈电位置非常敏感，需要精心设计。优化后各主要尺寸数值见表1。

表1 贴片尺寸参数表

由图4可看出天线单元馈电传输段及辐射缝微波电场分布情况，说明基本设计符合天线工作要求。

图5～图8分别为SIW贴片天线单元的反射系数、3D增益方向图、EH截面增益方向图、交叉极化方向图，可以看到，在没有使用宽带设计方法的情况下，SIW贴片天线单元在S11<-20dB可以实现3.6%的带宽，交叉极化优于-17dB。

4 结束语

本文以工程实例，介绍了一种K频段SIW 基片集成背腔贴片天线单元的设计。实际使用中，可采用多种微带-SIW变换形式，实现微带线与SIW的能量交换，以便于集成到小型化微波系统中。随着无线、高灵敏度通信系统的不断发展，SIW天线的小体积、轻量化、低损耗、低成本、高效率的优点将会在更广阔的工程领域得到推广应用。