一種新型Ku波段背腔式縫隙天線的研究

翟建龍

（中北大學，山西 太原 030051）

0 引言

隨著現代無線技術的迅速發展，天線成為無線應用的關鍵部件，因此對天線性能也提出了更高的要求。

微帶貼片天線具有重量輕、尺寸小、結構緊湊、輻射損耗低、易集成、輻射特性好等優點[1-2]。但由于一般的微帶天線帶寬較窄，陣列損耗大的缺點，使其在應用上受到很大的限制。微帶縫隙天線具有高增益、重量輕、副瓣低、小型化、易加工等特點，一直在無線通信領域有廣泛的應用。現有的微帶縫隙天線有環形縫隙微帶天線、矩形縫隙微帶天線、折疊縫隙微帶天線、漸變縫隙微帶天線、分形天線，其帶寬可達到10%～100%。提出了一種背腔式六邊形縫隙天線，其采用基片集成波導結構諧振腔體并有微帶線和線性漸變過渡段進行饋電，通過調節六邊形縫隙大小，使得天線達到帶寬147MHz，增益4.87dB。設計了一種W波段基片集成波導背腔縫隙天線，該天線的阻抗帶寬達到28.6%，覆蓋了W波段75%的頻帶范圍，且交叉極化極低。采用共面波導傳輸方式設計了一種缺陷接地結構的啞鈴型縫隙天線，實現了抑制高次諧波的效果。共面波導饋電結構由帶狀的中心金屬導體饋電和兩邊的槽線組成，并制作在電介質層的上表面。共面波導饋電與傳統的微帶傳輸線饋電方式相比具有結構簡單，易于與有源或無源設備共形、避免了基片的穿孔和開槽、有效減少了輻射損耗等優點。同時,共面波導的特性阻抗僅由中心饋電金屬和兩邊槽線的比值確定，可以通過適當改變比值達到有效減小尺寸的目的。

本文設計并加工了一種Ku波段背腔式縫隙天線，詳細分析了縫隙天線結構中背腔深度h、縫隙的寬度W、長度L對天線性能的影響，并實際測試了天線樣機的性能。該縫隙天線頻帶寬，高增益，易集成，加工成本低，在實際中有廣泛的應用前景。

1 天線設計

利用高頻結構仿真軟件（HFSS）對所提出的背腔式縫隙天線進行建模分析以及仿真優化，得出天線性能最優時的結構參數：L=23mm，W=7.3mm，t=2mm，h=3mm，s=0.11mm，w=1mm，a=13.5mm，b=23.6mm。通過仿真最優參數得到的回波損耗S11如圖2所示，天線的諧振頻率f=13.34GHz，在頻段11.00～14.12GHz內的S11參數小于-10dB，帶寬為3.12GHz。

圖1 天線結構示意圖

圖2 S11 隨f 的變化曲線

2 性能分析

2.1 縫隙尺寸對天線性能的影響

為了使天線達到良好的阻抗匹配效果，產生較大的阻抗帶寬，通過HFSS軟件的優化分析功能來分析改變縫隙尺寸對天線性能的影響。

首先對縫隙長度L對天線回波損耗的影響進行分析，當分別取L=22mm、23mm、24mm時，S11的仿真結果如圖3所示。可以看出隨著縫隙長度L逐漸增加，天線的諧振頻率發生變化，阻抗帶寬則隨著L值的增大而減小，且當L=23mm時，回波損耗S11最低，天線的阻抗匹配最好。

圖3 S11 隨L 的變化曲線

當縫隙寬度W=7.2mm、7.3mm、7.4mm時，天線的回波損耗仿真結果如圖4所示。可以看出隨著蝶形縫隙寬度W的增大，天線的諧振頻率發生變化，且當W=7.3mm時，回波損耗S11最低，天線的阻抗匹配最好。

圖4 S11 隨W 的變化曲線

2.2 背腔厚度對天線性能的影響

背腔厚度h對天線性能的影響如圖5所示，可以看出隨著背腔厚度h逐漸增加，天線的諧振頻率逐漸變低，阻抗帶寬則隨著h值的增大而減小，且當h=2mm時，回波損耗S11最低，天線的阻抗匹配最好。

圖5 S11 隨h 的變化曲線

3 天線測試

實際測試中將SMA接頭焊接到天線饋電端，天線樣機如圖6所示。圖7所示為設計天線的S11參數仿真結果與測試結果對比圖。仿真結果表明該天線在頻段11.00～14.12GHz內的S11參數小于-10dB，帶寬為3.12GHz。測試結果顯示：該背腔式縫隙天線的S11參數小于-10dB的頻段為11.00～14.02GHz，帶寬為3.02GHz，相對帶寬為24.14%，諧振頻率稍微右移且回波損耗減小。形成差別的主要原因可能是在背腔的制作過程中由于制作條件有限使背腔沒有達到仿真時的理想條件，對基片的厚度及介電常數產生了影響，同時由于測試環境存在的誤差導致測試得到的諧振頻率與仿真的諧振頻率出現不一致的現象，但測試結果與仿真結果基本吻合[3]。

圖6 天線實物圖

圖7 天線測試圖

用微波暗室測試了天線的輻射性能，將測試得到的13GHz下的E面和H面結果與仿真得到的數據進行比較，結果如圖8所示，仿真結果表明該天線的最大輻射增益為8.44dB，測試結果顯示該天線的最大輻射增益為8.07dB，由于受實驗臺和制造工藝的限制，實測的輻射方向圖基本與仿真結果之間存在一定的一致性，實現了相對的高增益[4-5]。

圖8 天線輻射方向圖

4 結語

本文提出了一種適用于Ku波段的共面波導饋電的背腔式縫隙天線，通過HFSS的仿真和優化，討論了縫隙寬度W、長度L和背腔厚度h對天線性能的影響，并對天線樣機進行測試，仿真數據和測試結果表明，該天線帶寬大于3GHz，增益大于8dB，具有良好的輻射增益和阻抗匹配性。該天線頻帶寬，高增益，易集成，加工成本低，在實際中有廣泛的應用前景。