基片集成波导背腔天线新技术与应用

郑庚琪

(西安邮电大学 电子工程学院，陕西 西安 710121)

天线是现代通信系统不可或缺的部分。背腔加载式的天线具有宽带、高增益、单向辐射以及稳定方向图的特性，被广泛应用于5G通信、探地雷达和物联网等领域[1-2]。

常规的金属背腔天线由馈电部分和金属腔体构成[3-5]，通常体积较大，不适用于某些要求采用小体积的系统中。而基片集成波导(substrate integrated waveguide,SIW)技术的出现，较好地减小了背腔天线的体积，SIW天线具有外形小巧、重量轻等特点。SIW天线保留了传统金属波导高Q值、高选择性，拥有截止频率和高功率容量等优点。除此之外，它还具有容易与平面或曲面共形、与平面电路集成等优点。

SIW背腔天线通常包括SIW背腔贴片天线和SIW背腔缝隙天线两种类型。这两种低剖面腔体形式的天线不仅可以通过诸如微带线、共面波导(coplanar waveguide，CPW)和接地共面波导(ground coplanar waveguide，GCPW)等方式实现平面传输线馈电，而且还可以由探针和波导等方式实现非平面传输线馈电。以此为基础，研究者们对SIW背腔式天线进行了不同方面的研究。

本文分为5个部分。第1部分介绍SIW的结构特点和工作原理。第2部分重点介绍当前最新应用SIW技术的宽带背腔天线。第3部分对波束扫描SIW背腔天线的新进展进行介绍与总结。第4部分分析了当前双极化SIW背腔天线的新技术以及存在的问题。第5部分结合SIW背腔天线的发展趋势，分析当前SIW背腔天线设计中需要解决的问题，对SIW背腔天线研究进行了总结与展望。

1 基片集成波导技术

SIW天线具有类似于经典矩形波导的传播特性，保留了传统金属波导的大多数优点，如具有高品质因数和高功率处理能力。SIW的制造利用印刷电路板(printed circuit board，PCB)加工工艺，不但能够节省大量加工成本，还能够减少复杂繁琐的调试过程。不仅如此，SIW技术的优势还在于可以将所有组件集成在同一基板上，包括无源组件、有源元件和天线，无需再设计元件之间的过渡装置，从而减少了损耗和寄生效应[6]。

基片集成波导与金属波导的结构相似，通过嵌入在电介质基板中两行金属化过孔或插槽实现。该电介质基板和导电圆柱连接两个平行的金属板。SIW结构的传播特性虽然与矩形金属波导相似，但前提是金属化过孔之间的间距必须满足一定条件，这样电磁场才能被限制在SIW结构中，抑制表面波的传播，大大减少电介质的损耗，并且可以忽略辐射泄漏。

SIW金属化过孔直径以及孔间间距需要满足的条件[7]可以表示为

dvia<0.2λ，

dvia

其中：dvia表示金属化过孔直径；λ表示电磁波长；Lvsp表示相邻金属化过孔之间的距离。

满足条件的金属通孔使得相邻通孔间隙泄露的能量忽略不计，从而导致SIW封闭结构的传播特性与常见的金属波导的传播特性相似。

SIW传输模式与矩形波导的传输模式类似。金属化过孔之间存在间隙，横向磁场决定了侧向表面的电流无法在SIW内部储存横磁(transverse magnetic，TM)模式的电磁波[8]，致使SIW不支持TM模式。

SIW和矩形波导在尺寸设计上具有相似性，可以借助经验公式，利用矩形波导的有效宽度weff计算SIW的几何尺寸。使用经验公式可以不借助全波分析工具，简化SIW器件的初步尺寸设计。目前应用比较广泛的经验公式[9-10]可以表示为

(1)

其中：d表示金属化过孔的直径；w表示金属化过孔之间的横向间距；s表示金属化过孔之间的纵向间距。

2 宽带SIW背腔天线

SIW结构属于低剖面的结构，天然地存在带宽较窄的缺点。为了适应于实际应用，需要研究SIW背腔天线的带宽增强方法[11]。使用缝隙和短路通孔激发额外的谐振模式，是一种增加天线带宽的常用方法。文献[12]中设计了两种类型的宽带SIW背腔缝隙天线。使用一个十字形缝隙和不对称的短路通孔实现了四谐振SIW背腔缝隙天线，并采用相同原理做了五模谐振天线。其设计思路可以作如下表述。

首先，利用十字缝隙和长边附近对称的两个短路通孔实现三模谐振天线。其次，利用不同短路通孔设计一个四模SIW背腔缝隙天线。所设计的四模SIW背腔缝隙天线可以看作是两个短路通孔加载位置不同、腔尺寸不同的半模SIW背腔缝隙天线的组合，通过向下调制原始三模谐振天线的第一谐振模式，向上调制第二和第三模式，然后将附加的半TE120模式插入到三模谐振天线的半TE110模式和TE210模式之间。通过增加不平衡短路通孔增加谐振模式，设计的四模谐振天线比原先的三模谐振天线增加了约5%的带宽，带宽达到20%以上。

应用此方法，可以再继续增加腔的谐振模式，如在上述SIW腔体的基础上，通过使用两对不平衡的短路通孔以及十字形缝隙可以激发5种谐振模式。文献[13]应用金属化过孔加载的方法增加谐振模式，给矩形SIW背腔加载哑铃型缝隙用于辐射，通过在缝隙上方加载了一个金属化通孔以获得双谐振特性。加通孔后增加了谐振模式，带宽达到了60%。

除了利用金属通孔增加谐振模式，还可以通过刻蚀不同形状的缝隙增加谐振模式，从而达到改善带宽性能的目的。在文献[14]中，天线使用4个不同尺寸的V形缝隙进行4通带辐射。其采用1/4模腔，设计的天线电尺寸小且增益高。对于相同的谐振频率，它的尺寸仅为标准矩形SIW腔的1/4。观测V形缝隙的纵向电场，可以发现1/4模腔的TE10模在z方向电场激发了缝隙上的奇模，而缝隙宽度的增加，也增强了辐射效率。调整4条缝隙的尺寸，让4个谐振模式接近，即可获得宽频带特性。

文献[15]通过调整哑铃型缝隙和给哑铃型缝隙结构增加枝节等方式，实现了宽带性能。这种改进型的哑铃形缝隙通过枝节引入了几个新的谐振点，由GCPW馈电激发腔内部的高阶谐振模式TE102、TE301和TE302，通过使高阶模式彼此接近以获得高带宽性能。通过分析电场可以发现，第一谐振和第二谐振的模式分别为偶TE301模式和奇TE301模式，其电场矢量分布相对于缝隙分别为偶对称和奇对称；在第四谐振频率处的辐射主要由馈电结构的倾斜缝隙产生，而第三和第五谐振频率被混合模式所激发。最终5个谐振模式共同实现带宽为26.7%。在文献[16]中，缝隙耦合馈电结构激发了4个逐渐加宽的SIW腔，实现了天线30%以上的阻抗带宽。

由于宽带基片集成波导背腔天线具有宽频带和低剖面的优点，可以广泛应用于平面结构的无线设备中。相比于传统的金属宽带背腔天线，可以实现设备的小型化。现有的展宽集成波导背腔天线带宽的方法是在背腔表面刻蚀缝隙或加载通孔，通过增加谐振频率点的方式展宽工作频带。然而这些增加带宽的方法在展宽带宽的同时，会在不同程度上影响背腔天线原有的方向图。所以，如何在不影响背腔天线其它性能的基础上，拓展天线工作频带，是基片集成波导背腔天线亟需解决的问题。

3 波束扫描SIW背腔天线

SIW结构可以被应用于相控阵或者波束扫描阵列，是因为其一方面继承了传统矩形金属波导缝隙天线的优点，同时克服了传统矩形金属波导不能将阵列天线和微波电路集成的缺点。而且SIW可以利用传统的PCB加工技术实现，设计成本和生产成本比较低廉，适合高频微波波束控制系统的设计[17]。随着卫星通信、导航、雷达抗干扰等技术的快速发展，对波束扫描天线和波束可重构天线提出了更高的要求。

可以通过给SIW腔体加载集总元件实现SIW背腔实现波束扫描与重构。在文献[18]中，通过给矩形SIW腔体加载3个横向缝隙实现辐射，应用4对后加载的变容二极管以控制波束扫描角。加载在SIW中的二极管或变容二极管会引入相移，扰动SIW腔中的场分布。在SIW底部金属表面的柱子周围刻蚀隔离缝，以实现直流隔离和二极管的独立控制。通过加载不同的偏置电压获得不同的电容，从而实现波束扫描。将其中两对变容二极管置于腔体纵向中心线附近，这两对变容二极管的侧面是相邻的缝隙。将另外两对变容二极管对称地嵌入在双边缝隙的两端。以此独立地控制施加到每对变容二极管的偏置电压，精确控制每个辐射单元的幅度和相位。文献[19]同样通过在矩形SIW腔体上刻蚀缝隙，在缝隙附近加载集总元件实现波束扫描。文献[19]设计的天线形式为三单元背腔缝隙天线阵列，通过使用更宽的缝隙和特定的可调负载，分别获得8%的阻抗带宽和4%的相对带宽(fractional bandwidth,FBW)的扩展。由于负载阻抗调谐范围有限，单纯应用变容二极管可能发生严重的波束倾斜问题。使用固定电感器、变容二极管和延迟线组合的负载可以提供更大的阻抗调整范围。与传统相控阵相比，文献[19]中的天线移相器的数量减少了66%。

除了利用加载集总元件的方式实现波束扫描，利用SIW谐振腔本身的特性也可以获得波束扫描的功能。如利用TE220高阶模的高增益特性设计的小型化宽带漏波天线[20]。在SIW腔的表面上蚀刻出2×2的缝隙阵列，形成缝隙辐射体。纵向相邻的辐射缝隙以半波导波长相间隔构成180°的相位差，并沿中心线交替放置，以引入另一个180°的相位差，最终获得了边射特性。利用新型表面等离激元(surface plasma polaritons,SPP)作为慢波传输线给天线馈电。与微带线相比，由SPP馈电的相邻辐射单元可以获得更大的相位差，从而增加了四单元周期阵列天线的波束扫描范围。最终缝隙阵列的扫描角范围达到了-24°～+32°。高阶模天线结构更紧凑，增益较高，天线阵列的馈电网络简单，便于加工。文献[21]提出了一种宽波束扫描的SIW背腔缝隙天线设计方案。在金属基板上蚀刻的宽缝不仅作为辐射元件，而且还是馈电网络的一部分，这使得整个结构非常紧凑。单个元件的辐射能量来自宽耦合缝隙，可以通过采用渐缩宽度来获得理想的带宽。为了确保能量有效地耦合到下一个腔体中，同一腔体中输出窗口的宽度应该比输入窗口的宽。相邻的辐射宽缝隙中心之间的距离约为自由空间波长的一半。这种结构在缩短整体腔体尺寸的同时，使得行波仍能保持在腔体中。此设计最终在E面的扫描角范围达到了12°～62°。

传统宽角域扫描天线采用多天线系统实现。负载平台可以承载的天线数量有限，而且随着天线数量的增加，电磁干扰也会影响天线的性能。波束扫描基片集成波导背腔天线，可以在保持电尺寸不变的前提下，增加天线的波束扫描范围。近年来利用可编程超表面进行天线设计，被越来越多的用在了可重构天线方面。如何利用可编程超表面设计集成波导背腔天线，更好地控制天线波束扫描的范围，是波束扫描基片集成波导背腔天线未来的研究方向之一。

4 双极化SIW背腔天线

SIW双极化天线，除了与微带天线一样易于集成外，还具有低损耗、低剖面、不易被干扰等优点。此外，由于SIW腔体还具有多模特性，在不同模式下设置辐射缝隙，可以获得性能良好的SIW双极化天线[22-23]。

文献[24]中利用差分信号实现了SIW背腔形式的双极化天线。天线由一个十字形缝隙组成，该缝隙背靠一个方形SIW腔。两组接地共面波导用于激励差分信号。差分信号激发了SIW腔对角的TE120和TE210模式。差分对中的一个用于激发+y方向极化辐射TE120模式，另一个激发+x方向极化，辐射与+y方向极化正交的TE210模式。表面电流分布检测结果表明，当一个差分端口被激励时，另一个差分端口几乎没有表面电流，具有较高隔离度。文献[25]设计了一种用于X波段雷达的SIW背腔双极化天线阵列，可以较好地抑制交叉极化。文献[25]中的天线阵列采用的单元贴片分为激励贴片、寄生贴片和反射贴片3种，包含垂直极化和水平极化两种馈电网络。两个馈电网络在结构上被接地层隔开，从而增加了两个极化之间的隔离度。文献[25]比较了4种天线后发现，如果在所提出的阵列周围增加更大的封闭腔体，就能够进一步抑制地面辐射。

文献[26]提出了具有稳定方向图的双极化孔径耦合微带SIW腔体天线阵列。其中的阵列单元基于圆形SIW腔体，通过在其地面上刻蚀十字缝隙的方式将能量耦合到贴片上。两条微带馈线印制在馈电基板的顶层上，以获得双极化性能。SIW腔体中的金属化过孔可以在不改变地面尺寸和形状的前提下防止能量在地面和反射器之间传播，抑制了地面边缘处的辐射，减轻了地面的影响，从而获得了稳定的方向图。

基片集成波导双极化天线，可以在符合通信系统小型化、集成化需求的同时，利用极化分集技术有效抵抗多径衰落、减少干扰、增加系统容量，提高通信质量。然而在使用双极化天线的过程中，产生差分信号的外接器件需要连接天线，这会增加天线的损耗。如何更加合理地集成外接器件和天线，是基片集成波导双极化天线在未来研究中需要解决的问题。

5 结语

随着对无线通信技术需求的不断增加，SIW背腔天线已经成为天线领域的研究热点。本文总结了几种类型的SIW薄型背腔天线，分析了其设计原理，从宽带SIW天线，波束扫描SIW天线以及双极化SIW天线3个方面介绍了SIW背腔天线的最新进展以及在无线通信中的应用。这些小型化的背腔天线保留了传统的金属腔体背腔天线的优点，包括高增益，高前后比和低交叉极化的特点，并且还拥有平面天线的优点，包括外形小，重量轻，低损耗，制造成本低以及易于与平面电路集成的优点。结合实际应用，SIW背腔天线在以下几个方面仍需进行重点研究。

第一，在现有的研究中，大多应用微波传输线或CPW结构给SIW背腔天线馈电。由于微波传输线或CPW结构与SIW背腔天线的特性阻抗不同，所以，微波传输线或CPW结构会影响天线整体的阻抗匹配性能。目前比较常用的解决办法是增加阻抗匹配网络，但阻抗匹配网络设计较复杂。如何实现背腔天线与馈电点之间更好的匹配以获得良好的阻抗特性，是具有挑战性的问题。

第二，增加基片集成波导缝隙天线的功能，会导致天线体积增加。利用超材料，如左右手超材料，具有的某些独特性能，进一步减小天线尺寸，获得更好的性能以及更多的功能，是将来SIW背腔天线的研究方向之一。

第三，在毫米波波段，电磁波在空间传播的衰减较大，信息传输的可靠性大大降低。若无法增加输入功率，就需要SIW背腔天线阵具有高增益性能。增加阵列规模是一种提高增益的常用方法。然而随着阵列单元的增加，馈电网络的复杂度与损耗随之增加。设计高增益SIW背腔天线阵是实际工程应用中一项急需解决的技术问题。