Ku波段背腔式蝶形缝隙天线设计

弥宝粒，张斌珍，段俊萍

（中北大学 电子测试技术重点实验室，山西 太原 030051）

0 引言

随着电子技术的快速发展，卫星通信、个人通信等更侧重于重量轻、尺寸小且带宽大的天线。在尺寸、重量、成本、性能和安装条件都受限的条件下，微带天线[1⁃3]和印刷缝隙天线[4⁃6]等小尺寸天线就非常受到青睐。在天线向着小型化、宽带化的方向演变过程中，国内外研究人员进行了大量的研究。目前主要通过改变馈电方式和缝隙结构[7]提高天线的相关性能。缝隙天线通过两导体之间的缝隙向外辐射，可以认为其辐射由磁流元形成，即间隙上的等效源场[8]。缝隙天线具有结构简单，且易于与载体表面共形的优点。传统的缝隙天线缝长为半波长，带宽相对较窄，同时由于缝隙天线是双向辐射的，因而增益较低，限制了其在实际工程中的应用。为实现单向辐射的宽带高增益缝隙天线，通常在缝隙一侧添加反射板或反射腔[9]，组成背腔式缝隙天线[10]，抑制了双向辐射[11]，提高了天线增益。使用宽缝天线[12]，通过改变狭缝的形状[13]和馈电方式[14]来扩宽带宽。

本文对微带蝶形天线进行了改进，相对于微带蝶形天线，天线与金属背腔相结合，天线的增益通过在介质基片一侧添加的金属背腔得到了提高，天线的辐射特性得到了相应的改善。同时，采用共面波导馈电方式，进一步改善了阻抗带宽，在蝶形缝隙中央添加金属枝节，在共面波导槽线与蝶形缝隙连接处添加梯形过渡带，适当改变谐振频率，展宽了天线的带宽。经过仿真得到，端口回波损耗小于-10 dB时，阻抗带宽可以达到1.06 GHz，最大增益为7.62 dBi。本文还分析了蝶形缝隙结构以及介质基板对天线带宽和天线辐射性能的影响。

1 设计及仿真

1.1 天线结构的设计

采用共面波导馈电方式的馈电蝶形缝隙天线的缝隙结构如图1 所示，介质基板材质为环氧树脂（FR4），介电常数εr为4.4，电损耗角正切为0.02，厚度h=1 mm。金属背腔的厚度为h_ca。共面波导的参数中心金属宽度为t，槽线宽度为s，根据式（1）计算l和W。

图1 Ku 波段背腔式蝶形缝隙天线初始结构

由共面波导计算工具得出，中心金属宽度t、槽线宽度s分别为1.2 mm，0.18 mm，使之与50 Ω 匹配。λ0是主频率的波长，εr是基片材料的介电常数。Ku 波段的频率范围是11～18 GHz。在本次设计中，中心频率为13 GHz，蝶形缝隙的初始尺寸l=17.6 mm，W=5.5 mm。Ku 波段背腔式蝶形缝隙天线初始相关参数如表1 所示。

表1 Ku 波段背腔式蝶形缝隙天线初始相关参数

1.2 天线仿真分析

蝶形缝隙天线的辐射性能及阻抗匹配主要受缝隙尺寸、背腔深度的影响。通过改变蝶形缝隙长度l，缝隙宽度W以及背腔的深度h_ca 进行仿真。图2 给出了不同l，W及h_ca 的天线回波损耗曲线。

由图2a）可知，随着蝶形缝隙长度l逐渐增加，前一个谐振点的位置变化不大，谐振强度有所增加，后一个谐振点的强度随着l的增加而增强，同时谐振点的位置向左偏移，天线谐振频率与天线尺寸呈负相关关系。由图2b）可知，随着蝶形缝隙宽度W的减小，前一个谐振点的位置和谐振强度变化均不大，后一个谐振点的位置随着W的减小，谐振点略向左偏移，谐振强度得到显著增强；当改变背腔的深度h_ca 的值时，天线的回波损耗仿真结果如图2c）所示。只改变背腔深度h_ca的值，分别取2.5 mm，3 mm，3.5 mm，4 mm。由图2c）可以看出，随着背腔深度的减小，前一个谐振点逐渐向右移动，谐振强度逐渐增强。后一个谐振点位置随着背腔深度的减小逐渐向右移动，谐振强度逐渐降低。

图2 不同l，W 及h_ca 的天线回波损耗曲线

经过全波优化分析，通过分析蝶形缝隙长度、宽度、背腔深度对天线性能的影响，初步确定蝶形缝隙天线的尺寸如下：介质板尺寸为23.6 mm×14.5 mm，中心金属宽度s=1.2 mm，槽线宽度t=0.18 mm，背腔深度h_ca=3 mm，蝶形缝隙长度l=18.1 mm，宽度W=4.5 mm，基板厚度h_sub=1 mm。

天线的S11扫频分析仿真结果如图3a）所示，端口回波损耗小于-10 dB 时，阻抗带宽达到1.06 GHz。天线的输入阻抗分析结果如图3b）所示，从结果中可以看出，在13 GHz 中心频率处，天线的输入阻抗为（51.2-j11.2）Ω，天线结构已经达到较为良好的匹配阻抗。天线在E 面和H 面的增益方向图如图3c）所示，在θ=0°时，最大增益为7.52 dBi，3 dB 波束宽度分别达到87°和61°。

图3 仿真结果

1.3 天线频带优化和小型化

就微带天线而言，贴片或缝隙的尺寸和形状，介质基片的介电常数和厚度，天线的匹配网络和馈电方式等都是影响其带宽的因素。目前主要从两个方面扩宽微带天线的频带：微带天线的结构和外围匹配网络。具体的方法有以下几种：

1）降低等效谐振电路品质因数Q值

微带天线是谐振式天线，其谐振特性可以等同于高Q并联谐振电路。这是它频带相对较窄的主要因素。扩宽频带的一个途径就是减小等效谐振电路的Q值。降低相对介电常数可以展宽天线的带宽，但改变的范围有限，其最小值为1，即采用空气介质。通常，使用具有低介电常数的介电材料同时增加介质基片的厚度是增加微带天线带宽的有效手段。本实验首先将介质基板的材料更换为低介电常数的玻璃纤维聚四氟乙烯（Glass PTFE Reinf），介电常数为2.5，同时加厚介质基片，使其厚度更换为3 mm。利用近似公式（1）求解出蝶形缝隙的长度l=23 mm，宽度W=7.3 mm。对更改了介质基片材料厚度的天线进行仿真，端口回波损耗小于-10 dB 时，Ku 波段上的阻抗带宽约为3.27 GHz，天线增益为8.13 dBi。通过使用介电常数较低的玻璃纤维聚四氟乙烯材料并增加介质基片的厚度可以看出，天线的带宽相较于原始设计带宽得到了显著的提高，并且增益有所提高，但是由于加厚了介质基板不利于天线尺寸的小型化。综合考虑舍弃这种思路。

2）增加额外谐振点：附加寄生贴片、LC 谐振电路、短路探针

通过在中心频率附近增加额外的相邻谐振点，可以达到展宽天线的目的。本实验在初始尺寸的基础上，在蝶形缝隙中央添加两个金属枝节。更改后的蝶形缝隙天线几何形状如图4a）所示，金属枝节的长度为l2，宽度为W2。取l2=6.5 mm，W2=0.5 mm，经HFSS 软件仿真分析得到S11回波损耗，如图4b）所示。从图4b）中可以看出，端口回波损耗小于-10 dB 时，天线带宽为1.02 GHz，且两个谐振点相互靠近，中心频率略向左移动，在对中心频率有特定要求时可在一定程度上拓展带宽，同时缩小天线尺寸。

图4 天线优化

当改变金属枝节宽度W2时，分别取W2的值为0.4 mm，0.5 mm，0.6 mm。从图5a）可以看出，谐振强度随W2的增加而增加，谐振点略向左移。当改变金属枝节的长度l2时，分别取l2的值为5.5 mm，6.5 mm，7.5 mm。从图5b）可以看出，随着l2的增加天线阻抗带宽变化不大，谐振强度逐渐降低，谐振点向左移动，适当增加l2的长度可以起到缩小天线的作用。

图5 金属枝节尺寸的影响

3）添加共面波导梯形过渡带

在添加了金属枝节的蝶形缝隙天线结构的基础上，在原有的共面波导馈电槽线与蝶形缝隙之间增加一段梯形缝隙作为过渡带，梯形缝隙由矩形和三角形缝隙构成，其长度l5=3.625 mm，宽度W5=0.36 mm。具有金属枝节的梯形过渡带蝶形缝隙天线结构如图6 所示。

图6 具有金属枝节的梯形过渡带蝶形缝隙天线

当改变梯形过渡带宽度W5时，取W5的值分别为0.16 mm，0.26 mm，0.36 mm，0.46 mm。从图7a）可以看出，随着过渡带宽度的增减第一个谐振点逐渐减弱，第二个谐振点逐渐增强。两个谐振点有合并的趋势，同时中心频率右移。

天线的特征阻抗随过渡带宽度变化的关系曲线如图7b）所示，结合图7a）分析可以得出，结论附加的过渡带对天线的特征阻抗产生了影响，同时谐振点的移动也与特征阻抗的改变有关，在特征阻抗等于50 Ω 时，天线的谐振强度最大。

图7 梯形过渡带尺寸对天线的影响

当改变梯形过渡带长度l5时，取l5的值分别为2.62 mm，3.62 mm，4.62 mm。从图7c）可以看出，随着l5的增加第一个谐振点的谐振强度有所减弱，第二个谐振点的强度得到增强，同时谐振点向右移动。

图7d）为特征阻抗随梯形过渡带长度变化的关系图，结合图7a）可以看出，随着梯形过渡带长度的增加在相同频率下天线的特征阻抗变大，导致天线的谐振点向右移动。

通过对以上数据图表分析可得出，选取适当的参数组合能够较为有效地拓宽带宽并实现天线的小型化。

2 测试与分析

为了进一步验证背腔式蝶形缝隙天线的仿真效果，进行天线加工，实物如图8a）所示。仿真结果与实测结果的对比如图8b）所示。从实测结果可看出天线带宽1.02 GHz（13.74～14.75 GHz）与仿真结果基本一致。主频率向高频移动，主要原因可能是在背腔的制作过程中由于制作条件有限使背腔没有达到仿真时的理想条件，对基片的厚度及介电常数产生了影响，同时测试设备中安捷伦矢量网络分析仪存在的误差导致测试得到的中心频率与仿真的中心频率出现不一致的现象，总体上来看天线满足设计指标的要求。

图8 实物测试

3 结语

本文设计了一款工作在Ku 波段的背腔式蝶形缝隙天线，通过对比分析可知，增加基片的厚度并更换介电常数更低的材料可以达到拓宽天线带宽的目的，在蝶形缝隙中央和共面波导馈线与蝶形缝隙连接处添加金属枝节以及梯形过渡带，两个谐振点有着逐渐靠拢的趋势，其双频特性逐渐消失。同时，伴随参数的改变，天线的中心频率也会随之移动。当回波损耗小于-10 dB 时，阻抗带宽可以达到1.06 GHz，最大增益为7.62 dBi，为有效地拓宽带宽并实现天线的小型化提供了一种思路。