基于SIW TE30高阶模馈电的八木宇田天线

孙鲁兵

摘 要：本文提出了一种新型的TE30高阶模激励技术并基于此设计了一款八木宇田天线阵列。在此设计中，顶面的微带T型功率分配器用作馈电端口，以激发TE30模式。在基片集成波导（SIW）底面的纵向方向上沿着三分之一线的两个槽用于电场在槽模式和SIW模式之间的转换。基于此结构，TE30高阶模式可以被激励产生。SIW中传输高阶模式不仅具有简化结构的优点而且能够降低加工的难度限制来增强结构的稳定性。基于此TE30高次模结构设计了一款八木天线作为应用。天线的阻抗带宽高达48%（|S11|<-10dB），频带范围为7.7GHz到12.5GHz，最大仿真增益达到8.5dBi。

关键词：基片集成波导;高次模;模式转换;八木宇田天线

近几年，基片集成波导（SIW）结构由于其在许多方面的优点而变得越来越流行。例如，低剖面，重量轻，成本低，易于集成等优点。平面波导结构通过在由上下金属表面覆盖的基板上穿孔金属化通孔阵列而具有与金属波导类似的性能。由于这些优点，SIW在耦合器，功率分配器，滤波器和天线中有许多应用[1-4]。它们中的一些甚至可以具有与传统金属波导相当的性能。随着天线尺寸的增大，特别是在SIW阵列天线中，相邻的辐射元件被内部金属化通孔隔开，如果阵列尺寸过大，在高工作频带下过小的金属化通孔则需要更高的加工精度，这对通孔金属化工艺带来了挑战。为了解决这个问题，SIW中的高阶模式正在引起越来越多的关注。

本文中，提出了一种基片集成波导TE30模式直接激励技术并且设计了一款印制八木宇田阵列天线。设计的高次模激励结构简单且紧凑，可以被广泛应用于天线馈电网络和功率分配网络。此天线阵列拥有很宽的带宽和良好的性能并且阵列内部没有金属化通孔。

1 天线结构设计

本文设计的八木宇田阵列天线结构如图1所示。该阵列天线使用的介质板为Rogers5880，其厚度为1mm，相对介电常数为2.2。其主要结构包含两部分：模式转换部分和阵列天线部分。其包括一个单层介质板以及上下两层金属层。金属层包括微带功分结构、槽结构及八木天线。模式转换结构由微带T型功分结构馈电，微带线的宽度为W1，通過优化宽度W1确保输入阻抗为50Ω。功分器的分支长度为L2，确保信号等幅同相。两个耦合槽（图中虚线所示）印刻在底面金属面，其槽宽为0.4mm，延伸进入基片集成波导的长度为Ls，Ls大约为半波导波长。d_via为匹配金属化通孔间的距离，通过调节其之间的间距来改善阻抗匹配效果。基片集成波导的宽度W_siw选择的依据为TE30模式的截止频率。其它优化的参数如表1所示。天线辐射部分包括三个单元，每个单元对称的印刷在上下金属面。与传统的基片集成波导八木宇田天线阵不同的是，本文设计的天线阵列由TE30模式直接馈电而不是主模TE10模式。

2 仿真结果分析

该天线在HFSS软件中的仿真结果如下所示。图2所示为天线的反射系数和增益的仿真结果。反射系数|S11|在7.7到12.5GHz的频带范围内小于-10dB，相对带宽48%。在整个工作频带内，天线的增益曲线较为稳定，最大增益为8.5dBi。

天线在10GHz时的归一化辐射模型如图3所示。从图中可以看出，天线的辐射方向图形状较为稳定且在H面内具有较宽的波瓣宽度。

3 结束语

本文设计了一款基于TE30模式的八木宇田天线阵列。通过微带功分结构来激励产生TE30模式并实现模式转换。该结构可以广泛应用于天线馈电网络和功分网络中。该八木天线阵列结构十分简单，能达到的最大增益为8.5dBi，相对带宽高达48%且辐射方向图稳定。与传统的主模馈电方式的八木宇田天线阵相比，该天线阵由TE30模式馈电，因此简化了天线的馈电网络部分并且降低了在高频时的加工难度，在无线通信领域具有很好的应用前景。

参考文献

[1]X.Y. Wu， and P.S. Hall， “Substrate integrated waveguide Yagi-Uda antenna，” Electron. Lett.， vol. 46， p. 1541-1542， November 2010.

[2]Y. Cai， Z. P. Qian， W. Q. Cao， Y. S. Zhang， and L. Yang ， “A novel HMSIW bandstop filter loaded with half complementary split-ring resonator，” Electron. Lett.， vol. 51， p. 632-633， April 2015.

[3]T. Li， and W. B. Dou， “Broadband substrate-integrated waveguide T-junction with arbitrary power-dividing ratio，” Electron. Lett.， vol. 51， p. 259-260， February 2015.

[4]D. F. Guan， Z. P. Qian， Y. S. Zhang， and Y. Cai， “A hybrid SIW and GCPW guided-wave structure coupler”， IEEE Microw. Wireless Compon. Lett.， vol. 47， p. 598-599， June 2014.