縫隙封裝天線近場特性的仿真研究

溫煜東

（晉中職業技術學院，山西 晉中 030600）

一、前言

隨著電子通信技術的迅猛發展，人們對電磁波的利用越來越多。天線擔負著接收和發射電磁波的功能，其性能的優劣直接決定著通信信號的好壞。與傳統的反射面天線相比，縫隙天線具有體積小、重量輕、結構緊湊、安裝方便、效率高、易實現低副瓣等優點，因而被廣泛應用于多個領域。［1，2］

縫隙天線的研究始于20世紀40年代。2007年，金劍、萬笑梅等人利用HFSS的S參數仿真結果，通過等效網絡法計算了互耦環境下縫隙的導納，并采用口徑場反演的方法修正了縫隙的參數。［3］在帶線饋電的縫隙天線中，平行板模式具有不連續的饋電線路和輻射縫，因此在多個頻率下均會產生干擾共振并且輻射效率很低。為了克服這個問題，Jung-Min Kim等人通過使用具有不同介電常數的介質層來避免兩平行導體平面之間的平行板模式。Haydl給導體逆向共平面波導管增加了過孔，當過孔放在適當位置時，干擾模式在選定的頻率范圍內得到有效抑制。

為了實現通信設備的小型化，可以將多個器件整合成一個器件，組成一個封裝模塊。

如果將一種彎曲縫隙天線集成在一個帶有腔體的封裝模塊的表面，通過增加金屬過孔使得天線的輻射方向更好，性能更優。利用HFSS仿真封裝天線的性能，驗證彎曲縫隙天線是否能夠應用實際中，是否便于集成化，提高集成度。

二、HFSS仿真模型

封裝天線由3層金屬和兩層基板堆疊構成。兩層基板均使用了聚四氟乙烯（Teflon，介電常數為2.2，相對磁導率為1），大小為50mm*50mm，厚度分別為1.6mm和2.4mm。并在下層基板內蝕刻出一個50mm*50mm*1.6mm的腔體，其內部可放置集成的芯片和電路。在頂層金屬上蝕刻了一條彎曲縫隙，中間層和底層金屬分別作為天線地和封裝地，構成縫隙封裝天線模塊。天線饋電采用同軸轉帶線耦合饋電的方式。在HFSS中構建出的天線模型如圖1所示。

圖1 封裝天線的HFSS模型

三、仿真結果

HFSS中，掃頻類型設為Fast，頻率設置類型為LinearStep,范圍從 1GHz到 10GHz，步長為 0.01GHz。運行求解分析，可以得到天線的仿真結果。

圖2 縫隙天線的S參數

圖2給出了縫隙天線S參數的仿真結果。由圖可知，天線工作中心頻率為5.2GHz，-10 dB帶寬為130MHz。在工作頻段內，天線的增益為2.92dBi。

四、封裝性能的改善

圖3 設置孔柵結構后的模型

圖4 系統仿真結果

由于兩層金屬板之間產生的平行板模式，其復諧振在2.5 GHz到6 GHz頻率范圍內變化。這種情況下，在縫隙天線四周加上孔柵結構，使得彎曲縫隙天線被金屬通孔包圍以避免平行板波導模式的激勵，此時這些寄生響應將會得到有效抑制（如圖3所示）。圍繞縫隙的過孔之間的距離為3 mm（0.06λg），圍繞封裝腔的過孔為6 mm（0.12λg）。此時，縫隙天線S參數的仿真結果如圖4所示。天線工作中心頻率為5.25 GHz，-10 dB帶寬為150MHz。

圖5給出了封裝天線的輻射方向圖。由圖可知，天線的主要前向輻射電磁波，在工作頻段內，天線的增益為4.42 dBi。在設置了孔柵結構以后，天線的增益提高了1.5 dB。

圖5 輻射方向圖

五、結論

通過對彎曲縫隙封裝天線的性能進行仿真，并利用孔柵結構來抑制封裝腔中的天線的近場輻射，不僅減小了集成天線對腔內器件的電磁干擾，而且提高了天線的輻射效率。結果表明，彎曲縫隙天線有很好的性能，可以用于集成化和小型化。

［1］戴晴，黃紀軍，莫錦軍.現代微波與天線測量技術［M］.北京：電子工業出版社，2008.

［2］李明洋.HFSS天線設計［M］.北京：電子工業出版社，2011.

［3］金劍，萬笑梅，汪偉，金謀.平波導平板裂縫天線陣的設計［J］.雷達科學與技術，2007（3）：232-235.