基片集成波導雙極化環形縫隙天線研究

雷經緯，楊雪霞

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基片集成波導雙極化環形縫隙天線研究

雷經緯，楊雪霞

（上海大學 通信與信息工程學院，上海 200072）

基于基片集成波導(SIW)結構，提出了一種具有高端口隔離度的雙極化縫隙天線。天線正面蝕刻一個直徑約為0/2的環型縫隙作為輻射源，工作于圓形SIW諧振腔的主模TM11；背面中心位置蝕刻微帶交指電容，使SIW腔體電尺寸減小了約7%；采用一對正交微帶線分別由兩個端口為天線饋電。所設計的天線諧振在5.8 GHz頻段，–10 dB阻抗帶寬為1.7%，最大增益為8.5 dBi，端口隔離度高于35 dB。測試結果表明，該雙極化天線具有高隔離度、高增益的特點，可用于MIMO等無線通信系統中。

雙極化；基片集成波導；縫隙天線；隔離度；交指電容；交叉極化

雙極化天線實現兩路極化正交信號的同時收發，在不增加天線數量的前提下可提升通信容量，提高無線通信系統的抗干擾能力。這些特性使雙極化天線適應無線通信的發展趨勢，在多入多出(Multiple-in-Multiple-Out, MIMO)系統和無線局域網(Wireless Local Arear Network, WLAN)中具有應用價值。

無線通信系統中的雙極化天線需具有高端口隔離度和低交叉極化電平，目前所提出的平面雙極化天線大多為微帶天線[1-4]，通常用雙饋點激勵兩路正交極化波，而采用多饋點[1]、縫隙耦合饋電[2]、多層介質板[3]和表面加容性負載[4]等方法，能使天線端口隔離度達到23 dB以上，阻抗帶寬相對較寬，但也存在結構復雜、剖面過高等缺陷。基片集成波導(Substrate Integrated Waveguide, SIW)與微帶天線一樣易于集成，有低損耗、低剖面、不易被干擾等優點，也可用于制作普通微波波段縫隙天線[5]。由于SIW腔體具有多模特性，在不同模式下設置輻射縫隙可設計性能良好的SIW雙極化天線[6-8]，但此類雙極化天線尚存在隔離度不高、增益偏低、交叉極化難抑制和阻抗帶寬較窄等缺點。

基于以上研究，本文提出了一種基于SIW的雙極化天線。天線采用圓形SIW腔體的主模TM11和環形輻射縫隙，用較簡單的結構實現了天線在端口隔離度、增益和交叉極化等方面性能的提升，且天線僅需單層介質板加工，易與其他微波器件相集成。在天線背面加載微帶交指電容，減小了SIW腔體電尺寸。根據仿真結果進行實物加工和測試，并分析了實驗結果的誤差原因。

1 天線結構與設計原理

天線正面和背面結構分別如圖1(a)和(b)所示。正面為金屬地，其上蝕刻一個環形輻射縫隙，縫隙環上每間隔90°設置一塊金屬短路片；背面圍繞圓心蝕刻有四組微帶交指電容結構，每組交指電容的長度為c，寬度為c。圓形SIW腔體半徑為sub，由直徑為的金屬通孔排列構成，其中通孔間距為，滿足/≥0.5且/0≤0.1。采用一對特性阻抗為50 Ω的正交饋線為SIW腔體饋電，線寬f，線長f。天線的諧振頻率點由SIW諧振腔和環形輻射縫隙的物理尺寸共同決定[9-11]。SIW諧振腔工作于TM模時，其設計尺寸滿足[9]：

輻射縫隙內徑s和寬度s滿足[11]：

（2）

式中：k為TM模對應的截止波數；s為介質板的有效介電常數，滿足s=2r/(1+r)；為真空中光速。為了使天線獲得最高輻射效率，環形輻射縫隙與SIW腔體應諧振在同一設計頻率上。

(a) 正面?????? (b) 背面

式(1)表明，SIW工作模式決定了腔體設計尺寸和天線表面電場分布。本文選取TM11模為SIW的工作模態，根據TM11模式場分布的特點，當環形輻射縫隙的直徑約為0/2時，上下縫隙間的電場可等效為一對同相面磁流源，相當于一個二元陣，可使天線增益高于單縫SIW天線[12]。其次，當SIW工作在TM11模式時，兩個端口所激勵的輻射方向圖E面恰好相互正交，能將兩端口的能量耦合降到最低，使天線具有高隔離度的特點。此外，由于TM11模式在主平面上無交叉極化輻射，且SIW的工作波長大于高次模TM21對應的截止波長，對高次模的抑制更強，故天線在TM11模式下可呈現低交叉極化的特性[13]。

交指電容(Interdigital Capacitor, IDC)是一種周期性結構，其單元結構如圖2(a)所示，與微帶天線設計相結合，能有效減小天線的電尺寸或改善天線的交叉極化性能[14-15]。本文所設計天線的背面蝕刻了四組環形排布的交指電容，結構如圖2(b)所示，通過改變指長c或交指個數能調節等效電容值，用于對天線中心諧振頻點進行調節、減小SIW諧振腔的電尺寸。

2 天線仿真與分析

2.1 縫隙結構的設計與工作模式的選擇

為了確定SIW的工作模式和縫隙結構，用HFSS對圖3中的三種天線結構進行仿真分析。結構對稱的縫隙能使天線輻射兩路正交極化波，故天線1#、2#、3#均采用環狀縫隙結構，其中天線1#、3#在縫隙中設置了四塊金屬短路片，以保證天線工作于TM11模，而2#則采用圓環(Loop)縫隙；此外，天線2#、3#均設置在圓形SIW腔體當中，而1#則去除了SIW金屬通孔結構。

天線1# ??????天線2#??????天線3#（最終方案）

通過調整尺寸參數，使三種天線均諧振在5.8 GHz，E面方向圖、21仿真結果分別如圖4所示。從圖4(a)可見，天線1#、3#的場分布圖相似，3#的SIW結構使增益提升了約2 dBi，這是由于SIW通孔結構有效減小了天線的表面波損耗，并將能量束縛在特定區域內，天線的輻射性能得以提升。而天線2#中Loop縫隙結構使場分布更接近SIW的TM10模，可視為一個磁流圓環，其方向圖與單極子天線類似，法向存在凹陷。由圖4(b)可見，工作于TM11模的天線1#、3#隔離度大于TM10模的天線2#，其中天線3#的SIW結構能使TM11模的場分布更均勻，因而端口隔離度更高。

(a) E面方向圖仿真結果

(b)21仿真結果

圖4 不同結構對天線性能的影響

Fig.4 Influence of different structures on antenna’s characteristics

圖5為天線3#的端口一饋電時的瞬時電場分布圖。環型縫隙設置在電場變化最迅速的位置，使縫隙兩側存在顯著的電壓差，環形縫隙間形成了向的電場，根據等效原理，環形縫隙的上下兩部分可等效為一對同相分布的向面磁流，間距約為0/2，可視為一對二元縫隙陣，同相電磁波在輻射遠區疊加，天線的增益隨之提高。饋線呈正交狀設置，使另一端口處于TM11模的電場分布最弱區域，兩端口之間能量耦合最小，故天線的端口隔離度較高[1]。綜上所述，天線3#的結構具有高增益、高端口隔離度的特點，為最終選用的設計方案。

2.2 天線諧振中心的調諧

用HFSS對腔體尺寸sub、縫隙半徑s、環形縫隙中金屬短路片尺寸s和交指電容長度1等進行仿真分析，結果如圖6所示。從圖6(a)、(b)、(c)可見，在同樣步進變化下，天線的諧振頻率對s和s的變化更為敏感，sub對諧振中心的影響較小；這是由于天線輻射結構為環形縫隙，而SIW結構并非輻射源，因此當改變s或s時，縫隙周長的變化使諧振中心產生的偏移更為明顯。

圖6(d)為天線11隨交指電容的變化。由于交指電容的長度1決定了它的等效電容值，當1變長時，天線總輸入阻抗容性隨之上升，因此諧振頻率隨之下降，與圖6(d)中的仿真結果一致。加載了交指電容結構的天線諧振頻點下移了200 MHz，腔體電尺寸可減小約7%。

2.3 介質板厚度的選擇

表1為介質板厚度分別取1.5，2和3 mm時天線的性能對比。介質板厚度與隔離度、交叉極化、帶寬呈正相關，與主極化增益呈負相關。這是由于的增加使電磁波傳輸空間增大，導體損耗和介質損耗隨之減小，故在一定程度內可以使天線輻射效率和相對帶寬增大；但另一方面，的增加使表面波迅速增強，不利于天線的輻射[13]。可見，SIW天線的介質板厚度對端口隔離度、交叉極化等雙極化天線的關鍵性能均有影響，需根據具體應用要求選用相應的厚度，本文選取=3 mm。

(a)11隨腔體半徑sub的變化

(b)11隨縫隙半徑s的變化

(c)11隨金屬短路片寬度s的變化

(d)11隨交指電容長度1的變化

圖6 天線尺寸參數對11的影響

Fig.6 Influence of design parameters of the antenna on11

表1 介質板厚度對天線性能的影響

Tab.1 Influence of substrate thickness on antenna’s characteristics

經過HFSS的仿真優化，確定天線的各尺寸參數分別為：sub=16.4 mm，=2.7 mm，=2 mm，s=12.5 mm，=3.4°，s=0.7 mm，s=0.8 mm，=0.8 mm，f=2.5 mm，f=9.5 mm，c=1.6 mm，c=2.7 mm，c=2.6 mm。仿真結果如圖8(a)所示，天線的相對阻抗帶寬約為1.7%（5.75~5.85 GHz），在工作頻帶內端口隔離度均大于35 dB，主極化增益為8.5 dBi，交叉極化為–30 dB。

3 天線測試結果與討論

根據以上仿真結果設計并加工了天線，采用聚四氟乙烯材質作為介質板，相對介電常數為r=2.2，損耗角正切為0.0007，長和寬分別為sub=sub=55.8 mm，厚度=3 mm。天線正反面的加工實物圖如圖7所示。

圖7 天線實物圖

用HP 8722ES矢量網絡分析儀對天線參數進行測量，結果如圖8(a)所示，由于兩端口結構完全對稱，參數具有互易性和對稱性，滿足11=22，21=12。天線實測諧振中心為5.74 GHz，較之仿真結果存在約60 MHz的偏移。測量結果顯示介質板的實際厚度為2.90 mm，略小于3 mm的設計厚度。經驗公式表明[13]，天線介質板厚度的減小將改變輻射縫隙的等效導納值和介質板等效介電常數，從而使天線諧振中心發生偏移。若將這一誤差考慮在內，則天線11仿真與實驗結果大致吻合，如圖8(a)所示，因此可以確定該頻偏主要是由厚度加工誤差所致。在工作頻帶內實測21均小于–31 dB，略高于仿真值。天線增益的仿真和測試結果如圖8(b)所示，實測主極化增益為8.5 dBi，E面交叉極化在邊射方向為–25 dB，與仿真結果相符。總體而言天線具有較好的工作性能。

(a)參數

(b)方向圖

圖8 天線仿真和測試結果

Fig.8 Simulation and measurement results of the antenna

4 結論

利用圓形SIW結構，設計了一副工作于5.8 GHz的雙極化縫隙天線。SIW諧振腔的TM11模與環形輻射縫隙相結合是天線具有高端口隔離度和高增益的主要原因。天線背面加載了微帶交指電容以減小腔體電尺寸。對天線進行實物加工，測試結果顯示工作頻帶內端口隔離度均大于31 dB，主極化增益達8.5 dBi，E面交叉極化僅為–25 dB，但天線諧振頻點有所偏移，本文對這一誤差的原因做出了分析。天線可采用單層介質板進行加工，具有結構緊湊、易于集成的特點，在WLAN或MIMO通信當中有一定的工程應用價值。

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（編輯：陳渝生）

Dual polarized annular slot antenna based on substrate integrated waveguide

LEI Jingwei, YANG Xuexia

(School of Communication and Information Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

Based on the substrate integrated waveguide structure, a high isolation dual-polarized antenna was presented. On the front side of the antenna, an annular slot with the diameter of0/2 was etched and acted as the radiator. TM11was selected as the operation mode for the circular SIW cavity. The interdigital capacitors at the center of the back side reduced the electrical size of the cavity by approximately 7%. The antenna was fed by two ports respectively through a pair of orthogonal microstrip lines. The designed antenna operates on the band of 5.8 GHz with the –10 dB impedance bandwidth of about 1.7%. The simulated maximum gain is 8.5 dBi and the ports isolation is higher than 35 dB. The experiment result shows that the proposed dual polarized antenna operates with high isolation and high gain, which is suitable for MIMO wireless communication system.

dual polarization; substrate integrated waveguide; slot antenna; isolation; interdigital capacitors; cross polarization

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.04.019

TN826

A

1001-2028（2017）04-0096-05

2017-01-16

雷經緯

特種光纖與光接入網省部共建重點實驗室資助項目 (No.08DZ2231100)

楊雪霞（1969－），女，甘肅民勤人，教授，博士，研究方向為天線理論技術，E-mail: yang.xx@shu.edu.cn ；雷經緯（1992－），女，廣西南寧人，研究生，主要從事基片集成波導天線研究，E-mail: kingvey@live.com 。

網絡出版時間：2017-04-11 10:49

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170411.1049.019.html