文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.04.008
中文引用格式： 張葉楓，朱永忠，劉明飛. 基片集成波導多模寬帶天線研究進展[J].電子技術應用，2017，43(4)：32-35.
英文引用格式： Zhang Yefeng，Zhu Yongzhong，Liu Mingfei. Progress in the study of substrate integrated waveguide multi-mode wideband antenna[J].Application of Electronic Technique，2017，43(4)：32-35.
0 引言
當前，通信系統、定位系統標準多樣，雖然多天線能滿足覆蓋多頻段的需求，但隨著系統集成度的提高，多天線之間的耦合和干擾越來越不容忽視。因而人們希望單個天線具有多模寬帶的特性，這對天線的工作性能提出了更高的要求。為了實現這一目標，天線工作者設計了改進的單極子結構[1]、微帶結構[2，3]等天線，但仍在探索新技術以更好地達到多模寬帶要求。基片集成波導技術自吳柯教授[4]提出以來，因其低損耗、高Q值、易于平面電路集成等優勢，成為天線工作者的研究熱點。因此，探索基片集成波導技術實現多模寬帶天線是當前的重要課題。
現有的基片集成波導多模寬帶天線，從結構上看，可分為貼片開槽、地板開槽、加載感性通孔和改進饋電結構四種。
1 貼片開槽的基片集成波導多模寬帶天線
常用的縫隙天線是開在傳輸TE10模的矩形波導壁上的半波諧振縫隙。當在波導金屬壁表面開槽時，截斷了原先的內壁表面電流線，部分電流繞過縫隙，另一部分以位移電流的形式流經原方向，其電力線向外空間輻射。天線的工作頻率主要由其表面電流的分布情況決定，通過改變電流的路徑，就能控制諧振點的位置。當出現多個諧振點并在工作帶寬內時，就得到了多模寬帶結構。常見的開槽方式為矩形、環形、E形，再加入微擾，往往能夠激發多個模式，但帶寬較窄[5，6]。
通過貼片開槽技術，貼片輻射和縫隙槽輻射同時存在，使得天線具有多模特性。設計中的難點是如何調整相關參數使各簡并模式相互靠近，從而展寬帶寬。考慮到工藝和理論分析的簡便，在實際應用中常見的貼片和縫隙類型為矩形和圓形。下面主要分析它們的特性。
矩形貼片的長度L1決定著天線的工作頻率，其經驗公式為[7]：
當開環形縫隙時，影響天線工作頻率的主要是圓形貼片的半徑R1和環槽的半徑R2，其經驗公式為[8]：
文獻[7][9]通過貼片開槽技術獲得雙諧振模式，并且增加基片厚度進一步拓展天線帶寬。文獻[7]將矩形槽稍作改動為梯形槽，通過調整貼片的長度和寬度，改變了天線表面的電流路徑，獲得了很高的天線輻射效率。文獻[9]是常規的矩形貼片和矩形環槽雙諧振，通過改變貼片的長度和寬度，能夠很好地改善S11，獲得良好的天線性能。
2 地板加載特殊縫隙的基片集成波導多模寬帶天線
基于縮尺原理的非頻變天線的方向圖和阻抗特性能在非常寬的頻率范圍上保持不變[10]，其典型的應用為螺旋天線和蝶形天線。將設計超寬帶的技術與基片集成波導技術相結合，能夠在一定程度上展寬同類基片集成波導天線的帶寬。
研究表明，通過合適的饋電結構，蝶形縫隙天線能夠展寬一定的帶寬[11]，成為設計寬帶天線的常用結構。文獻[11][12]采用了蝶形縫隙結構，仿真表明蝶形縫隙的寬度為主要影響因素，通過參數優化，最終展寬了天線帶寬。
文獻[11]所示，使用蝶形縫隙結構后，改變了高次模的電流路徑，使得高次模向低次模靠近，從而展寬了帶寬，達到9.4%。
文獻[12]采用了蝶形縫隙，并在饋電位置附近又額外增加匹配的矩形縫隙，擾動了腔體頂面的電流和腔體的能量耦合。諧振縫隙設計在腔體電場最強的位置，以保證縫隙的輻射。仿真表明，增加矩形縫隙并不影響高頻諧振，但能夠降低低頻工作模式，并且能夠提高前后比和峰值增益。天線帶寬增至8%，具有較低的交叉極化水平，前后比超過20 dBi。
3 加載感性通孔的基片集成波導多模寬帶天線
傳統的矩形縫隙貼片天線能夠激發兩個簡并模式，但帶寬很窄，在單貼片的基礎上增加寄生單元是常用的展寬貼片天線的方法。其中，加載感性通孔是常用方法之一。文獻[13-16]在這方面做出了積極探索，通過加載非對稱的感性通孔或感性通孔陣列，輸入阻抗帶寬顯著提高，但軸比帶寬均不超過3%。圖1[17]通過加載感性通孔和容性環槽，引入了新的頻率，調整參數使其與貼片的頻率耦合，天線的阻抗帶寬增至12.4%。
4 改進饋電結構的基片集成波導多模寬帶天線
一般來說，采用寬帶匹配相移網絡饋電，能夠在一定程度上展寬天線的帶寬，但其設計復雜，如何采用適宜的饋電方式是天線設計的難點。
為了盡可能地簡化天線設計，常常采用轉換結構。現有展寬天線帶寬的饋電設計可分為四類：同軸線-SIW饋電、帶狀線-SIW饋電、微帶線-SIW饋電、帶狀線-微帶線饋電。
4.1 采用同軸線-SIW饋電結構
使用薄基片可以消除高次模，但此時卻很難消除基礎的TEM模。常用的方法是在縫隙周圍放置短路針，連接縫隙平面和反射器。短路針的位置離縫隙越近，縫隙的諧振頻率和帶寬會受到影響，短路針的位置離縫隙越遠，能量會產生泄露，并且天線的效率會惡化[18]。此外，短路針還是形成右旋圓極化的重要因素。因此，要合理地選擇短路針的位置。
圖2[13]通過采用同軸線-SIW轉換結構，天線在X波段的帶寬增至10.3%，展寬效果非常明顯。
為了減小天線尺寸、簡化天線設計，文獻[19]對上述結構進行了改進，采用特殊形狀的結構，在增益差不多的前提下，進一步拓展了阻抗帶寬和軸比帶寬。表1為兩種天線重要參數的對比結果。
4.2 采用帶狀線-SIW饋電結構
對于圓形貼片和縫隙天線，不同模式的諧振頻率的計算公式為[2]：
圖3[8]對文獻[5]中模型的貼片結構和饋電結構進行了改進，采用了帶狀線-SIW的饋電方式，通過調整T形饋線的參數，能夠將背腔諧振器、環縫和貼片激發的三個模式進行耦合，軸比帶寬和阻抗帶寬分別達到了25.6%和12%。
文獻[20]在半模基片集成波導結構的基礎上，采用了彎折帶狀線-SIW的饋電方式，增強了鄰近耦合，達到了展寬帶寬的目的,阻抗帶寬和軸比帶寬分別為10.5%和3%。
4.3 采用微帶線-SIW饋電結構
圖4[15]和文獻[16]都采用了微帶線-SIW饋電方式，并增加了非對稱感性通孔陣列來控制輸入電納，獲得額外的阻抗匹配，以拓展帶寬，分別為18.74%和17.32%。
4.4 采用帶狀線-微帶線饋電結構
帶狀線能夠滿足傳輸線低色散、低寄生輻射的要求，但其常需與其他傳輸線結構進行轉換使用。其中，帶狀線-微帶線結構能消除盲孔帶來的工藝上的復雜性[21]。一般而言，探針引入的電感非常低，而貼片和接地板間的電容較大，在所關心的頻帶范圍內應使饋電探針與金屬貼片引入的電抗大小相等，符號相反。
圖5[22]采用了帶狀線-微帶線饋電結構，在饋電帶狀線末端加載枝節，使得枝節的輸入阻抗呈感性，來補償低頻和高頻處的電容，最終阻抗帶寬和增益分別達到10.9%和7.7 dBi。
5 結論
綜上所述，基片集成波導多模寬帶天線有很多實現方法，在實際應用中，還要達到高增益、小型化、易共形等具體應用場景要求。目前的設計還存在交叉極化水平較高、增益不高、結構較大、帶寬仍不夠寬等問題，尋找帶寬和結構的平衡點是實際工程中天線設計的難點。雖然面臨諸多困難，但隨著理論的不斷完善和技術的不斷發展，基片集成波導多模寬帶天線技術必將日趨成熟。
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作者信息:
張葉楓，朱永忠，劉明飛
（武警工程大學 信息工程系，陜西 西安710086）