双波束基片集成波导背腔缝隙天线设计∗

胡开洋 李 霜 钟小瑛

（1.海装驻上海地区第一军事代表室 上海 202150）（2.中国舰船研究设计中心 武汉 430064）

1 引言

早期的微波电路系统主要使用金属波导［1～2］结构和微波同轴线结构作为微波传输线，并在此基础上进行对应微波器件设计。随着微波系统复杂度的提高以及人们对于微波系统小型化需求的提高，金属波导和微波同轴线愈发暴露出其固有缺点［3～8］。随着下一代无线通信技术的发展，能够提供更大数据容量的双波束天线被越来越多的研究。文献［9］证明了相比于传统的MIMO天线，一个毫米波的双波束的MIMO天线能提供更好的空间分集和更高的增益特性。文献［10］和文献［11］展示出在传输和发射端，双波束天线的应用可以更好地提高通信系统的质量和增加通信容量。因此，双波束天线在诸如微基站、通信系统、卫星通信系统和万物互联系统等现代通信系统中承担着非常重要的角色。

在过去几十年间，不同的技术被用来去设计双波束天线，传统的产生双波束辐射特性的方法是利用相控阵方法，文献［12］给出了一个双波束天线，具有1*4的天线阵列和4*4的hada-mard矩阵馈电网络，通过给不同的端口馈电，可以产生相应的波束。但是这种产生多波束的方法需要包含大量的T/R组件，并且需要复杂的馈电网络来保证正常的工作，这将给天线设计带来大量的困难。在文献［13］中，一个在微带贴片上开U形槽的方法被提出来，通过加载U形槽，微带贴片上的TM02模式被激励出来，进而产生双波束辐射特性，但是这两种方法产生的两个波束并不完全对称。文献［13］通过采用人工磁导体材料，在边射方向产生了两个完全对称的辐射波束，但是这种天线具有较大的尺寸，不适合系统的集成。

本文通过利用基片集成波导结构，设计了一个背腔缝隙天线。通过采用接地共面波导馈电技术，展宽了天线的带宽。同时，在基片集成波导结构的上表面开W形缝隙，天线在13.4GHz～14.1GHz频带范围内获得了双波束辐射特性。

2 天线设计

所提到的双波束天线的结构如图1所示，优化后的参数如表1所示。天线由三部分结构组成，下层金属表面作为接地板，中间的rogers5880的介质板，以及上层金属表面。上层金属表面包含构成辐射的W形缝隙、为实现宽阻抗带宽特性的接地功率共面波导馈电结构和为便于集成和测量的微带馈电线。

表1 优化后参数结果（单位：mm）

图1 天线结构图

辐射单元和阻抗匹配结构被蚀刻在基片集成波导结构的上表面，采用介电常数为2.2，厚度为1.5mm的Rogers5880板子作为介质板，计算出金属化通孔的半径和间距，确保最小的能量泄露。

此外，为了便于测量和易于与其余平面电路进行集成，一个50Ω的微带馈电线被加载在接地共面波导馈电结构内导体的末端，为了实现平滑的过度，接地共面波导馈电结构的宽度与50Ω的馈电线的宽度相同。而为了实现更好的阻抗匹配和更小的能量泄露，微带馈电线的宽度略小于理论计算值。

图2给出了所提到天线的反射系数，图3给出了天线在13.4GHz、13.7GHz和14.1GHz时的yoz面的方向图，图4给出了在主波束方向上天线的增益结果。从结果可以看到，天线的工作频带为13.4GHz～15GHz，相对带宽达到11.2%，在工作频带内，主波束的最大增益在4.94dBi～7.8dBi范围内波动，天线波束指向为phi=90°，theta=±42°。

图2 天线S11仿真结果

图3 天线方向图

图4 天线主波束方向增益结果图

为了更好地缝隙天线的双波束特性，我们从缝隙结构和电流分布两方面给出了解释。W形缝隙位于腔体的中央，缝隙结构沿中心轴镜像对称，由于在腔体的上表面，电流由中心四周流动，W形缝隙的两条表切割不同方向的电流，导致了不同两个镜像波束的产生。在13.6GHz处的电流分布结果如图5所示，电流主要集中在W形缝隙的两个下顶点和两个短边缝隙内，天线流向了不同的方向，进而产生了两个方向的波束。

图5 天线在13.6GHz处的电流分布图

3 参数缝隙

为了更好地理解W形缝隙的形状参数对双波束效果，以及W形缝隙的位置和接地共面波导馈电结构对天线阻抗带宽的影响，本节缝隙了一些主要参数，具体的分析结果如下所示。

从图6中可以看出来，当馈电长度linst为3mm的时候，天线仅在高频处出现谐振点，随着长度的增加，低频的谐振点逐渐被完全地激励，当linst长度大于4.5mm的时候，天线的阻抗逐渐失配。当缝隙距离腔体的边沿距离ds较近的时候，天线未获得匹配，当ds=13mm的时候，天线展现出良好的匹配特性。当w1变化的时候，天线的低频谐振点以及匹配情况基本不变，但是随着w1的增大，天线在高频处的谐振点逐渐升高，天线的带宽获得展宽。

图6 天线随参数变化时反射系数结果

图7 天线性能随参数变化时结果

随着rot和rot1的增大，天线的工作带宽逐渐向高频偏移，但是在rot及rot1等于60°的时候，天线获得了最好的阻抗匹配结果。同时，方向图的变化也证明了在60°时，天线具有更好的方向图以及增益结果。

4 结语

本文基于基片集成波导结构，利用其结构的独特的表面电流分布，在上表面开W形缝隙，在较宽的频带范围内产生双波束辐射特性，两个波束关于天线中心完全镜像对称，最高增益达到7.8dBi。同时在腔体内引入了接地共面波导结构，利用两个横向槽激励腔体内的模式，实现展宽阻抗频带的效果。为了更好地理解参数对天线性能的影响，对一些主要参数做了分析并给出研究结果。