一種X波段基片集成波導寬帶角錐喇叭天線

肖陽 汪曉光

摘 要：當今通信頻段越來越寬，在有限空間里安裝多個天線即增加成本又浪費資源，因此寬帶甚至超寬帶天線設計已成為天線設計領域的一個重要研究方向，同時小型化、集成化已成為當今發展趨勢，因此設計寬帶小型化天線已成為熱點。本文就此提出了一種基于基片集成波導（Substrate Integrated Waveguide，SIW）工作在X波段的新型角錐喇叭天線，采用電磁場仿真軟件 Ansoft HFSS 15 對所設計的天線進行仿真，結果表明該天線在8 GHz ～ 12GHz 范圍以內具有回波損耗優于-15 dB。該天線具有體積小，寬頻帶，結構簡單的優點。

關鍵詞：角錐喇叭天線；基片集成波導（SIW）；寬帶；小體積；質量??；低成本

隨著信息時代的到來，無線通信和探測技術不斷發展，天線一直是整個信息系統中十分重要的設備之一。喇叭天線作為孔徑天線的一種使用范圍很廣。傳統喇叭天線雖然具有較好的增益和方向性，但是由于其體積過大以及結構不易集成等原因使得它在現代射頻電路系統中的應用受到了極大的限制。一種新型傳輸線即基片集成波導（Substrate Integrated Waveguide，SIW）的提出為解決這一問題提供了方向，這種傳輸線不僅集合了傳統傳輸線的優點，還具有體積小、重量輕、成本低、結構簡單等優點，因此基片集成波導成為一種很好的設計平臺，在微波毫米波無源器件的設計中獲得廣泛應用。在微波毫米波波段，由于微波頻率高，波長很短，以線天線為基礎的天線系統已不再適用。而由于微波的與光波同為電磁波，并具有一些光波性質，類似于光學系統的一些天線設備得到了應用。這類天線通常是一個電磁場已知的開口面?？趶教炀€是各類寬帶天線中能獲得較高增益的一種天線[1-3]。

1 SIW 結構的設計

SIW的結構如圖1所示，設置于介質內的且貫穿于上下兩層金屬板的兩排金屬化通孔等效于標準金屬波導的側壁，傳輸特性與矩形波導極為相似。標準波導的TM模的電流在側壁沿電磁波傳播方向傳導，用金屬化通孔所模擬的波導側壁破壞該電流的連續性，因此SIW中不能傳播TM模式，只能傳播TE模式。為避免能量從通孔間泄漏，孔間距p與孔直徑d需要滿足[4]：

2 天線設計

喇叭天線有很多參數，可以應用這些參數來設計各種最佳喇叭。本文選用最佳增益天線法，即在滿足指標前提下，使喇叭幾何尺寸量最小。要得到最佳增益天線，H 面扇形喇叭應該滿足的尺寸關系為：

E 面扇形喇叭應該滿足的尺寸關系為：

角錐喇叭要達到最優尺寸關系，喇叭長度與口徑尺寸需同時滿足式（3） 和式（4） 。最優角錐喇叭天線的增益為：

其中εap 為喇叭天線的口徑效率[4-6]。

為了得到天線的最佳尺寸[68]，采用Ansoft HFSS 15 對天線進行了仿真計算。天線的仿真模型如圖2所示。經過多次優化得到最優的天線結構參數w1=15.24mm，l1=7.5mm，d=0.8mm，p=1.5mm，w1為波導寬邊，l1為波導長度，d為通孔半徑，p為通孔間距，基板厚度為1mm，銅層厚度為0.0175mm。w2=18mm，h2=30mm，l2=20mm，w2為角錐喇叭口寬邊，h2為角錐喇叭口窄邊，l2為角錐喇叭長度。為了進一步擴展帶寬，我們采用切割喇叭口上的銅層，采用的是二次函數曲線切刮銅層，改變后的天線模型如圖3所示。

3 天線設計結果

本文采用基于有限元分析的計算電磁仿真軟件Ansoft HFSS 15 對天線進行仿真。介質基板采用Polyflon CuFlon 基板，介電常數為2.1，損耗正切為0.00045，基板厚度為4mm，上下兩面均覆有銅層，覆銅厚度為0.0175mm。從圖3中可以看出天線的回波損耗在8GHz～12GHz頻段內優于12dB，表明天線在X波段具有良好的頻率特性，從圖4中可以看出，切割銅層過的天線的回波損耗在8GHz～12GHz頻段內優于15dB，與未做改變的天線相比，在相同尺寸下，帶寬更寬。

4 結論

本文提出了一種工作在X波段的基于SIW的角錐喇叭天線。利用電磁仿真軟件Ansoft HFSS 15 對天線進行仿真優化。該天線具有很高的阻抗帶寬，并在此基礎上對該天線進行改進，即切割喇叭口端面上的銅層，得到的天線回波損耗在8GHz～12GHz頻段內優于15dB，具有良好的頻率特性。

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