王劍瑩， 梁振川， 許文濤， 彭業(yè)順， 張 涵*

(1. 華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院， 廣州 510006； 2. 南方科技大學(xué)電子與電氣工程系， 深圳 518055)

隨著無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，毫米波(mmW)技術(shù)因具有波長(zhǎng)短、傳輸容量大等特點(diǎn)吸引了人們的廣泛關(guān)注[1-2]. 2010年，新的Q波段毫米波通信標(biāo)準(zhǔn)Q-LINKPAN在中國(guó)啟動(dòng)，其中包括短距高速互聯(lián)(PAN)和遠(yuǎn)距高速傳輸(LINK). 2013年，中華人民共和國(guó)工業(yè)與信息化部正式批準(zhǔn)了用于Q-LINKPAN的頻譜申請(qǐng)，其中5.9 GHz(42.3～47.0 GHz、47.2～48.4 GHz)用于PAN，3.6 GHz(40.5～42.3 GHz、48.4～50.2 GHz)用于LINK[3]. 隨著通信需求的日益增長(zhǎng)，作為無(wú)線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，毫米波寬帶天線具有很大的研究?jī)r(jià)值.

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)毫米波寬帶天線開(kāi)展了大量研究，但設(shè)計(jì)低剖面、低成本的毫米波寬帶天線仍具有一定的挑戰(zhàn)性[4-6]. 多層方形貼片堆疊的寬帶天線[7]可實(shí)現(xiàn)17.0～20.5 GHz的工作帶寬和穩(wěn)定的增益(4.9 dBi)，但堆疊的方式增加了天線的厚度，降低了系統(tǒng)的集成度. 相比于貼片天線，基片集成波導(dǎo)(SIW)具有易集成、輕質(zhì)等優(yōu)勢(shì)，因此SIW也常被用于設(shè)計(jì)天線[8-9]或其它微波器件[10]. 以SIW取代巴倫和反射器，搭配成一定角度的偶極子[11]，可以實(shí)現(xiàn)覆蓋Q波段(42.3～48.4 GHz)的寬阻抗帶寬，但該設(shè)計(jì)只能獲得相對(duì)較低的增益3.67～5.20 dBi. 使用梳妝槽的錐形縫隙天線[12]可以在工作頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)大于7.0 dBi的增益，峰值增益達(dá)8.2 dBi，但是帶寬僅能覆蓋38.9～44.5 GHz. 通過(guò)SIW對(duì)矩形貼片進(jìn)行饋電，兩者間的縫隙可等效為磁流，利用輻射的疊加[13]，天線帶寬可以拓展至35.4～43.1 GHz，增益可達(dá)6.5～7.8 dBi. 與此同時(shí)，相控陣技術(shù)[11-13]也常被用來(lái)設(shè)計(jì)毫米波寬帶天線,從而實(shí)現(xiàn)足夠高的增益，然而陣列天線依靠多個(gè)天線的協(xié)同作用，不僅增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，而且降低了實(shí)用性. 已有的毫米波寬帶天線設(shè)計(jì)普遍難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)寬頻帶和高增益，因此該不足限制了此類(lèi)天線在毫米波通信系統(tǒng)中的應(yīng)用.

本文主要針對(duì)如何提高毫米波天線的帶寬拓展和增益開(kāi)展研究. 設(shè)計(jì)基于半模基片集成波導(dǎo)(Half-Mode Substrate Integrated Waveguide，HMSIW)的縫隙天線，通過(guò)將SIW傾斜一定角度來(lái)改善天線的阻抗帶寬. 在此基礎(chǔ)上，微帶線的引入與縫隙組成了互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，將天線的帶寬進(jìn)一步拓展至37.7～47.8 GHz，顯著提升了增益. 通過(guò)設(shè)置金屬通孔設(shè)計(jì)改善阻抗匹配，采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)毫米波寬帶天線的性能進(jìn)行了驗(yàn)證. 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的Q波段毫米波天線具有較寬的工作帶寬和較高的增益.

1 天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線利用一對(duì)互補(bǔ)的E形縫隙和微帶線作為輻射器來(lái)拓展阻抗帶寬并提高增益，采用常用的微帶線結(jié)構(gòu)[14]進(jìn)行饋電(圖1). 與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)[12]相比，微帶饋線與具有一定傾斜角度的SIW諧振腔組成了一個(gè)緊湊的共面波導(dǎo)(Co-planar Waveguide，CPW)結(jié)構(gòu)，可以明顯改善阻抗匹配、拓展阻抗帶寬. 位于SIW諧振腔邊緣的2個(gè)E形輻射器通過(guò)SIW與CPW連接. SIW諧振腔內(nèi)還設(shè)有一個(gè)金屬通孔，用以改善阻抗匹配效果.

圖1 寬帶半圓形SIW天線的結(jié)構(gòu)

天線的設(shè)計(jì)基于TACONIC/TLY-5-0200介質(zhì)材料(相對(duì)介電常數(shù)εr=2.2，損耗角正切tanσ=0.000 9)，優(yōu)化過(guò)程采用高頻仿真軟件(HFSS). 天線尺寸22 mm×23 mm×0.51 mm，尺寸如表1所示.

表1 天線的尺寸Table 1 The dimensions of the antenna mm

2 結(jié)果與討論

2.1 不同類(lèi)型天線的反射系數(shù)

2.1.1 基本型半圓SIW縫隙天線 圓形SIW諧振腔是實(shí)現(xiàn)多頻帶或多模式工作的常用結(jié)構(gòu)，其工作模式已有詳細(xì)研究[15]. 而HMSIW具有與SIW相同的工作模式，但體積僅為SIW的一半，因此也被用于天線設(shè)計(jì)[16]. 基于此，利用半圓形SIW諧振腔取代圓形SIW諧振腔，并在諧振腔的口徑邊緣設(shè)計(jì)E形縫隙，用以引導(dǎo)其輻射，得到一個(gè)半圓形SIW縫隙天線(圖2). 該天線在36.0～48.0 GHz頻帶內(nèi)具有多種諧振模式，但由于阻抗失配等因素，天線的工作帶寬并不連續(xù). 因此，通過(guò)采取合理的改進(jìn)措施改善阻抗匹配，將多個(gè)諧振模式合并，即可實(shí)現(xiàn)覆蓋Q波段的毫米波寬帶天線.

圖2 基本型半圓SIW縫隙天線的反射系數(shù)

2.1.2 傾斜型半圓SIW縫隙天線 將帶有E形縫隙的半圓形SIW諧振腔傾斜一定的角度α(圖3)，使微帶線上的電流與諧振狀態(tài)下貼片表面電流保持在同一條直線上. 在傾斜角的作用下，天線的阻抗匹配有一定改善，阻抗帶寬拓展至41.0～47.0 GHz. 但是，此半圓形SIW縫隙天線的阻抗帶寬顯然不足以覆蓋需要的工作頻帶.

圖3 傾斜型半圓SIW縫隙天線的反射系數(shù)

2.1.3 E形縫隙互補(bǔ)型半圓SIW縫隙天線 為了進(jìn)一步拓展天線的阻抗帶寬，在原天線的基礎(chǔ)上，在SIW諧振腔邊緣添加與E形縫隙互補(bǔ)的E形微帶線(圖4). 反射參數(shù)曲線表明，天線的阻抗帶寬明顯增加，幾乎覆蓋37.7～47.8 GHz. 事實(shí)上，E形微帶線與縫隙的諧振頻率相近，因此幾種模式共同組成了1個(gè)寬頻帶. 同時(shí)，與僅具有E形縫隙的SIW諧振腔天線相比，具有互補(bǔ)E形縫隙和微帶線結(jié)構(gòu)的天線在整個(gè)頻帶內(nèi)具有更高的增益(圖5). 顯然，雙輻射器具有比單輻射器更好的輻射性能. 盡管微帶結(jié)構(gòu)的引入增加了交叉極化，但在輻射最大方向上始終比主極化低15 dB以上，并且微帶結(jié)構(gòu)顯著提升了增益，因此這一不利影響可以忽略. 但是，以E形互補(bǔ)縫隙和微帶線結(jié)構(gòu)作為輻射器也帶來(lái)了明顯的問(wèn)題，即天線在43.0～45.0 GHz頻率范圍內(nèi)回波損耗明顯增加. 這是工作帶寬展寬與回波損耗抑制之間的平衡.

圖4 不同輻射器下天線的反射系數(shù)

圖5 不同輻射器下天線的增益仿真值

2.1.4 金屬通孔型半圓SIW縫隙天線 為了改善天線在上述頻帶內(nèi)的阻抗匹配，減少回波損耗，在SIW諧振腔內(nèi)添加一金屬化通孔(圖6). 對(duì)比研究添加金屬通孔前后的反射系數(shù)，結(jié)果表明：通過(guò)將孔設(shè)置在合適的位置，天線在43.0～45.0 GHz頻段內(nèi)回波損耗得到明顯抑制，可以實(shí)現(xiàn)-10 dB阻抗帶寬完全覆蓋37.7～47.8 GHz.

圖6 添加匹配通孔前后天線的反射系數(shù)

2.2 參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

2.2.1 半圓形SIW諧振腔的傾斜角 在優(yōu)化的天線模型下，研究SIW諧振腔與微帶饋線的傾斜角度對(duì)于阻抗帶寬的影響. 由于半圓形SIW諧振腔內(nèi)部存在許多不同的模式，這些模式對(duì)于傾斜角度的改變比較敏感，因此阻抗帶寬也會(huì)有所不同. 當(dāng)SIW諧振腔的傾斜角從16°到19°逐漸增大時(shí)，天線的阻抗帶寬先逐漸增大后開(kāi)始減小(圖7). 比較而言，當(dāng)傾斜角度α=18°時(shí)，天線的阻抗帶寬最優(yōu).

圖7 不同SIW傾斜角下天線的反射系數(shù)

2.2.2 E形縫隙和微帶線的尺寸 縫隙和微帶線是所設(shè)計(jì)天線的2個(gè)主要的輻射結(jié)構(gòu)，因此縫隙長(zhǎng)度Ls對(duì)天線諧振頻率具有決定性的影響. 在工作頻帶內(nèi)，天線具有2個(gè)相較明顯的諧振頻率(圖8A). 隨著Ls逐漸增大，低頻段諧振頻率f1基本不變，中間頻段諧振頻率f2逐漸升高，而高頻段f3處阻抗匹配明顯惡化. 綜合考慮天線的阻抗帶寬和回波損耗表現(xiàn)，將縫隙長(zhǎng)度Ls設(shè)置為10.0 mm. 微帶線的總長(zhǎng)度Lm同樣影響著天線的回波損耗和阻抗帶寬. 由天線在Lm=7.3、7.8、8.3、8.8 mm時(shí)的反射系數(shù)曲線(圖8B)可知：Lm對(duì)低頻部分的反射系數(shù)影響不大，而當(dāng)Lm=7.8 mm時(shí)，天線在高頻段具有更低的回波損耗，天線阻抗帶寬可以完美覆蓋37.7～47.8 GHz.

圖8 天線的反射系數(shù)

2.2.3 金屬通孔的位置 為了調(diào)節(jié)諧振腔內(nèi)的諧振模式、調(diào)整2個(gè)諧振器之間的功率分配以改善阻抗匹配，確定通孔設(shè)置的大致范圍(圖9A中黑色虛線圈)，同時(shí)，為了更加準(zhǔn)確地描述通孔的位置，將半圓形SIW諧振腔的圓心設(shè)置為坐標(biāo)原點(diǎn)(0,0)，如圖1所示. 相應(yīng)的天線回波損耗與通孔的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)(分別用x1、y1表示)的關(guān)系如圖10所示. 結(jié)果表明：金屬通孔可以影響半圓形SIW諧振腔內(nèi)的電場(chǎng)分布. 通孔將電流分流分別饋入縫隙輻射器和微帶輻射器，減少了2個(gè)輻射器之間的相互影響(圖9B)，因此這種設(shè)計(jì)顯著減少了回波損耗，改善了阻抗匹配. 金屬通孔的最優(yōu)位置坐標(biāo)應(yīng)在(-2.0 mm,-4.0 mm).

圖9 工作頻率為44 GHz時(shí)腔內(nèi)的電場(chǎng)分布

圖10 天線回波損耗與不同通孔位置的關(guān)系

2.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

基于參數(shù)優(yōu)化過(guò)程，優(yōu)化諧振腔的傾斜角度、E形縫隙和微帶線的長(zhǎng)度可以明顯拓展阻抗帶寬、提高輻射增益，因此添加金屬通孔可以改善阻抗匹配. 根據(jù)最優(yōu)化結(jié)果制作寬帶半圓形SIW平面天線的原型(圖11)，利用Agilent 5247A網(wǎng)分儀對(duì)天線性能進(jìn)行測(cè)試. 天線的回波損耗和輻射增益如圖12所示. 顯然，仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果吻合較好，兩者的微小差距是由加工精度不足和測(cè)試誤差造成的. 仿真與測(cè)試結(jié)果均表明：天線在-10 dB的阻抗帶寬完全覆蓋37.7～47.8 GHz，相對(duì)帶寬接近23.6%. 天線在全頻段增益超過(guò)6.4 dBi，在38.2 GHz下信號(hào)的最大增益達(dá)9.8 dBi.

圖11 天線的實(shí)物圖

圖12 天線的回波損耗和輻射增益

為了更好地說(shuō)明天線的性能，繪制天線工作頻帶內(nèi)多個(gè)頻率下的歸一化輻射方向圖(圖13). 天線在37、38、39 GHz的E面和H面歸一化輻射方向如圖13A所示，在此頻段內(nèi)，天線E面的輻射方向圖保持穩(wěn)定，H面內(nèi)波束指向θ=50°方向. 天線在41、42、43、44 GHz的E面和H面輻射方向如圖13B所示，與圖13A相比，E面的輻射方向幾乎不變，而H面的波束傾角接近-55°. 此外，天線在45、46、47、48 GHz具有穩(wěn)定的E面和H面輻射方向(圖13C)，且最大輻射方向?yàn)棣?0°.

圖13 實(shí)測(cè)天線的輻射方向

對(duì)比研究典型的毫米波寬帶天線[7,11]和天線陣[13]的單元(表2)，本文提出的寬帶半圓形SIW互補(bǔ)結(jié)構(gòu)天線具有更寬的阻抗帶寬，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的增益.

表2 與其他寬帶天線的性能對(duì)比Table 2 The comparison with other wideband antennas

3 結(jié)論

提出了一種基于互補(bǔ)輻射結(jié)構(gòu)的寬帶SIW天線,將SIW諧振腔傾斜一定角度，利用E形縫隙和與之互補(bǔ)的微帶線作為輻射器來(lái)拓展天線的帶寬、提高天線的增益. 另外，在SIW腔內(nèi)添加一金屬通孔很好地改善了回波損耗. 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：天線在-10 dB的阻抗帶寬覆蓋37.7～47.8 GHz,在全頻帶內(nèi)的信號(hào)增益大于6.4 dBi，在38.2 GHz下信號(hào)的最大增益達(dá)9.8 dBi. 本文提出的天線在Q-LINKPAN或其它毫米波應(yīng)用場(chǎng)景下具有一定的應(yīng)用潛力.