一種高增益縫隙定向天線設計

張長慧，董 勝，趙憲臣

（山東泉清通信有限公司 山東 濟南 250100）

介質基片集成波導實現縫隙天線陣是針對以往采用波導型材實現天線開縫的方法所提出的[1-3]。使用印刷電路板中常用的金屬化過孔的方法，用兩排較為密集的金屬過孔將聚四氟乙烯微帶板（雙面覆銅板）的上下兩層銅皮連接在一起。此時在兩排過孔與上下兩層銅皮之間能夠導行電磁波，其模式為類似于矩形波導中的TE10模，而不是TEM波。介質板的上下兩層金屬層等效為矩形波導的兩寬邊，而兩排金屬過孔形成矩形波導的窄壁。對于微帶板，如果孔和孔之間的距離比較近，就可以將孔之間的空隙看成是波導窄壁上垂直于傳播方向的縫隙。這種縫隙不會影響TE10模傳播，也不會向外輻射。因此可以用這種方法在微帶板上實現矩形波導的功能。

1 天線設計

微帶板結構如圖1所示。

與矩形波導相比，介質基片集成波導具有以下優點：1）加工簡便，成本低廉；2）體積小，集成度高；3）易于和平面微波電路連接；4）與銅質波導相比重量輕。

與微帶貼片天線相比，介質基片集成波導的損耗小，Q值高，能夠實現高性能的天線和濾波器[4]。

圖1 微帶板結構圖Fig.1 The structure

對于平板縫隙天線陣，扁波導縫隙天線的帶寬較窄，且波導的高度越低帶寬越窄。另外輻射波導的帶寬還和縫隙所處的外環境有關，即輻射波導之間的耦合有關[5]。孤立縫隙的帶寬較寬，而組陣后帶寬較窄。而且當單元間距越小，耦合越強時，輻射波導能夠獲得較大的帶寬。因此波導縫隙天線的帶寬主要由2個因素決定：1）波導的高度，2）縫隙所處的外部電磁環境。

在輻射波導兩測布置扼流槽可以擴展帶寬，如圖2所示。圖中扼流槽的各部分尺寸，單位為mm。由于介質波導（SIW）的寬度為24 mm，而輻射波導的間距為40 mm，所以每各輻射波導兩側都僅有8 mm空間，必須將扼流槽折疊[6]。在折疊后，扼流槽的尺寸都是仿真計算的，以保證從扼流槽的開口向里看是等效開路。圖3是加扼流槽后天線反射系數仿真結果。

圖2 帶有扼流槽的縫隙天線截面圖Fig.2 Cross structure of one radiation waveguide with the choke grooves

圖3 天線反射系數Fig.3 The return loss of the antenna

圖4 所示為天線的正反面結構示意圖，正面所示為天線的輻射面，反面所示為天線的功分面。板材的介電常數為2.25，厚度為2 mm，該陣列包括8根輻射波導，每一根輻射波導上對稱的開有10個縫隙。輻射波導的饋電方式為從兩頭對稱的向中間饋電，這是與傳統的主線支線耦合饋電不同[7]。

為達到－20以下的旁瓣抑制要求，采用了海明加權，經過優化后的權值分布如表1所示。

表1 幅度權值分布Tab.1 The distributing of the weight

天線功分網絡設計，為了防止某個輻射波導的反射波通過饋電網絡耦合到其他輻射波導，影響其他輻射波導的激勵權值，保證整個陣列的加權系數精度，所以輻射波導的激勵端口之間需要隔離。為實現表1所列出的幅度權值，并且實現不同輻射波導之間的隔離，功率分配網絡由H－T型分支和窄邊耦合的定向耦合器構成，功分網絡的結構主要是選擇并聯饋電形式，即用功分器結構為各個輻射波導饋電，保證天線的總饋點到各個輻射波導的路徑是一樣長的。

圖4 天線結構示意圖Fig.4 Fabricated of the antenna

2 天線實物與測試結果

圖5是實際制作的平板縫隙天線的實物照片，整個天線的面積為330 mm×330 mm。從圖中看出，天線一共包括8排輻射波導，每一排的輻射波導由過孔分為對稱的兩個波導，所以一共有16個輻射波導。每個波導的寬壁上開5個縫隙，同一波導上的縫隙尺寸各不相同，而不同波導上，相同位置的縫隙的尺寸是一致的。每兩排相鄰的波導之間，有額外設計的扼流槽，以提高帶寬。

不同層的介質板用金屬螺釘緊固，保證天線的機械特性結實可靠，以及不同層敷銅的電氣接觸良好。

該天線的由位于功率分配網絡中心的50 Ω SMA接頭饋電，測量得到的端口反射系數如圖6（a）。天線具有良好的端口匹配特性。在5.5～5.9 GHz頻段，天線端口的反射系數都在–12 dB以下（VSWR＜1.6）。而天線的–10 dB帶寬更是達到了 463 MHz（5.512～5.975 GHz），其相對帶寬為 8.1%。對于厚度僅有2 mm的SIW波導，相對帶寬達到了8.1%。

圖5 天線實物圖Fig.5 Antenna picture

圖6 天線反射系數和方向圖Fig.6 The reflectance and the direction of the antenna

天線方向圖見圖中6（b）（c）。平板縫隙天線旁瓣指標在H面內，旁瓣電平不超過-30 dB，。在E面內，旁瓣電平也低于-25 dB

3 結 論

提出了基于介質板材的波導縫隙天線設計方案并加以實現。該設計方案的最大優點就是能夠擴展平板波導縫隙天線陣尤其是薄波導縫隙陣的帶寬。采用此方法設計并實現了一個80陣元的高增益定向天線陣，并給出了實測結果，表明該天線具有高增益，定向性好，旁瓣低的特點，達到了設計要求。

[1]Deslandes D，Wu K.Single-substrate integration technique of planar circuits and waveguide filters[J].IEEE Trans Microwave Theory and Tech，2003，51（2）:593-596.

[2]Uchimura H，Takenoshita T，Fujii M.Development of a laminated waveguide[J].IEEE Trans.Microwave Theory&Tech，1998（46）:2438-2443.

[3]李高升,盧中昊,劉鋒,等.一種X波段波導縫隙天線的設計與仿真 [J].現代電子技術，2010（21）：5-8，12.LI Gao-sheng，LU Zhong-hao，LIU Feng，et al.Design and simulation of waveguide aperture antenna working in X-band[J].Modern Electronic Technique， 2010（21）：5-8，12

[4]鐘順時.微帶天線理論與應用[M].陜西:西安電子科技大學出版社，1991.

[5]林昌祿，陳海，吳為公.近代天線設計[M].北京：人民郵電出版社，1990.

[6]Cassivi Y，Perregrink L，Arcioni P，et al.Dispersion characteristics of substrate integrated rectangular waveguide[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2002，12（9）:333-335.

[7]Hao Z C，Hong W，Chen J X，et al.Single-layer substrate integrated waveguide directional couplers[J].Microwaves，Antennas and Propagation， IEE Proceedings，2006，153：426-431.