《电子技术应用》

基片集成波导多模宽带天线研究进展

2017年电子技术应用第4期
张叶枫,朱永忠,刘明飞
(武警工程大学 信息工程系,陕西 西安710086)
摘要: 基片集成波导由于其自身的独特优势,低剖面、易制作且易于平面电路集成,在天线中应用广泛。多模宽带、可重构、多输入多输出是当前天线发展的主要方向。阐述了当前基片集成波导多模宽带天线的主要实现方法和发展前景,为更好地设计基片集成波导多模宽带天线提供了依据。
中图分类号: TN82
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.04.008
中文引用格式: 张叶枫,朱永忠,刘明飞. 基片集成波导多模宽带天线研究进展[J].电子技术应用,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.

Progress in the study of substrate integrated waveguide multi-mode wideband antenna

Zhang Yefeng,Zhu Yongzhong,Liu Mingfei
(Department of Information Engineering,Engineering University of PAP,Xi′an 710086,China)
Abstract: As the unique advantages of substrate integrated waveguide(SIW), such as low profile, ease of fabrication, and compatibility with planar integration, it is widely used in antennas. The main directions of the development of modern antennas are multi-mode and wideband, reconfigurable and multiple input multiple output(MIMO). The implementation methods and prospects of SIW multi-mode wideband antennas are presented. All of these can provide the basis for the design of SIW multi-mode wideband antennas.

0 引言

    当前,通信系统、定位系统标准多样,虽然多天线能满足覆盖多频段的需求,但随着系统集成度的提高,多天线之间的耦合和干扰越来越不容忽视。因而人们希望单个天线具有多模宽带的特性,这对天线的工作性能提出了更高的要求。为了实现这一目标,天线工作者设计了改进的单极子结构[1]、微带结构[2,3]等天线,但仍在探索新技术以更好地达到多模宽带要求。基片集成波导技术自吴柯教授[4]提出以来,因其低损耗、高Q值、易于平面电路集成等优势,成为天线工作者的研究热点。因此,探索基片集成波导技术实现多模宽带天线是当前的重要课题。

    现有的基片集成波导多模宽带天线,从结构上看,可分为贴片开槽、地板开槽、加载感性通孔和改进馈电结构四种。

1 贴片开槽的基片集成波导多模宽带天线

    常用的缝隙天线是开在传输TE10模的矩形波导壁上的半波谐振缝隙。当在波导金属壁表面开槽时,截断了原先的内壁表面电流线,部分电流绕过缝隙,另一部分以位移电流的形式流经原方向,其电力线向外空间辐射。天线的工作频率主要由其表面电流的分布情况决定,通过改变电流的路径,就能控制谐振点的位置。当出现多个谐振点并在工作带宽内时,就得到了多模宽带结构。常见的开槽方式为矩形、环形、E形,再加入微扰,往往能够激发多个模式,但带宽较窄[5,6]

    通过贴片开槽技术,贴片辐射和缝隙槽辐射同时存在,使得天线具有多模特性。设计中的难点是如何调整相关参数使各简并模式相互靠近,从而展宽带宽。考虑到工艺和理论分析的简便,在实际应用中常见的贴片和缝隙类型为矩形和圆形。下面主要分析它们的特性。

    矩形贴片的长度L1决定着天线的工作频率,其经验公式为[7]

     zs2-gs1-2.gif

    当开环形缝隙时,影响天线工作频率的主要是圆形贴片的半径R1和环槽的半径R2,其经验公式为[8]

     zs2-gs3-4.gif

    文献[7][9]通过贴片开槽技术获得双谐振模式,并且增加基片厚度进一步拓展天线带宽。文献[7]将矩形槽稍作改动为梯形槽,通过调整贴片的长度和宽度,改变了天线表面的电流路径,获得了很高的天线辐射效率。文献[9]是常规的矩形贴片和矩形环槽双谐振,通过改变贴片的长度和宽度,能够很好地改善S11,获得良好的天线性能。

2 地板加载特殊缝隙的基片集成波导多模宽带天线

    基于缩尺原理的非频变天线的方向图和阻抗特性能在非常宽的频率范围上保持不变[10],其典型的应用为螺旋天线和蝶形天线。将设计超宽带的技术与基片集成波导技术相结合,能够在一定程度上展宽同类基片集成波导天线的带宽。

    研究表明,通过合适的馈电结构,蝶形缝隙天线能够展宽一定的带宽[11],成为设计宽带天线的常用结构。文献[11][12]采用了蝶形缝隙结构,仿真表明蝶形缝隙的宽度为主要影响因素,通过参数优化,最终展宽了天线带宽。

    文献[11]所示,使用蝶形缝隙结构后,改变了高次模的电流路径,使得高次模向低次模靠近,从而展宽了带宽,达到9.4%。

    文献[12]采用了蝶形缝隙,并在馈电位置附近又额外增加匹配的矩形缝隙,扰动了腔体顶面的电流和腔体的能量耦合。谐振缝隙设计在腔体电场最强的位置,以保证缝隙的辐射。仿真表明,增加矩形缝隙并不影响高频谐振,但能够降低低频工作模式,并且能够提高前后比和峰值增益。天线带宽增至8%,具有较低的交叉极化水平,前后比超过20 dBi。

3 加载感性通孔的基片集成波导多模宽带天线

    传统的矩形缝隙贴片天线能够激发两个简并模式,但带宽很窄,在单贴片的基础上增加寄生单元是常用的展宽贴片天线的方法。其中,加载感性通孔是常用方法之一。文献[13-16]在这方面做出了积极探索,通过加载非对称的感性通孔或感性通孔阵列,输入阻抗带宽显著提高,但轴比带宽均不超过3%。图1[17]通过加载感性通孔和容性环槽,引入了新的频率,调整参数使其与贴片的频率耦合,天线的阻抗带宽增至12.4%。

zs2-t1.gif

4 改进馈电结构的基片集成波导多模宽带天线

    一般来说,采用宽带匹配相移网络馈电,能够在一定程度上展宽天线的带宽,但其设计复杂,如何采用适宜的馈电方式是天线设计的难点。

    为了尽可能地简化天线设计,常常采用转换结构。现有展宽天线带宽的馈电设计可分为四类:同轴线-SIW馈电、带状线-SIW馈电、微带线-SIW馈电、带状线-微带线馈电。

4.1 采用同轴线-SIW馈电结构 

    使用薄基片可以消除高次模,但此时却很难消除基础的TEM模。常用的方法是在缝隙周围放置短路针,连接缝隙平面和反射器。短路针的位置离缝隙越近,缝隙的谐振频率和带宽会受到影响,短路针的位置离缝隙越远,能量会产生泄露,并且天线的效率会恶化[18]。此外,短路针还是形成右旋圆极化的重要因素。因此,要合理地选择短路针的位置。

    图2[13]通过采用同轴线-SIW转换结构,天线在X波段的带宽增至10.3%,展宽效果非常明显。

zs2-t2.gif

    为了减小天线尺寸、简化天线设计,文献[19]对上述结构进行了改进,采用特殊形状的结构,在增益差不多的前提下,进一步拓展了阻抗带宽和轴比带宽。表1为两种天线重要参数的对比结果。

zs2-b1.gif

4.2 采用带状线-SIW馈电结构

    对于圆形贴片和缝隙天线,不同模式的谐振频率的计算公式为[2]

    zs2-gs5.gif

    图3[8]对文献[5]中模型的贴片结构和馈电结构进行了改进,采用了带状线-SIW的馈电方式,通过调整T形馈线的参数,能够将背腔谐振器、环缝和贴片激发的三个模式进行耦合,轴比带宽和阻抗带宽分别达到了25.6%和12%。

zs2-t3.gif

    文献[20]在半模基片集成波导结构的基础上,采用了弯折带状线-SIW的馈电方式,增强了邻近耦合,达到了展宽带宽的目的,阻抗带宽和轴比带宽分别为10.5%和3%。

4.3 采用微带线-SIW馈电结构

    图4[15]和文献[16]都采用了微带线-SIW馈电方式,并增加了非对称感性通孔阵列来控制输入电纳,获得额外的阻抗匹配,以拓展带宽,分别为18.74%和17.32%。

zs2-t4.gif

4.4 采用带状线-微带线馈电结构

    带状线能够满足传输线低色散、低寄生辐射的要求,但其常需与其他传输线结构进行转换使用。其中,带状线-微带线结构能消除盲孔带来的工艺上的复杂性[21]。一般而言,探针引入的电感非常低,而贴片和接地板间的电容较大,在所关心的频带范围内应使馈电探针与金属贴片引入的电抗大小相等,符号相反。

    图5[22]采用了带状线-微带线馈电结构,在馈电带状线末端加载枝节,使得枝节的输入阻抗呈感性,来补偿低频和高频处的电容,最终阻抗带宽和增益分别达到10.9%和7.7 dBi。

zs2-t5.gif

5 结论

    综上所述,基片集成波导多模宽带天线有很多实现方法,在实际应用中,还要达到高增益、小型化、易共形等具体应用场景要求。目前的设计还存在交叉极化水平较高、增益不高、结构较大、带宽仍不够宽等问题,寻找带宽和结构的平衡点是实际工程中天线设计的难点。虽然面临诸多困难,但随着理论的不断完善和技术的不断发展,基片集成波导多模宽带天线技术必将日趋成熟。

参考文献

[1] Luo Yu,Chu Qingxin.Design of wideband antenna with stable beamwidth based on multi-mode and multi-dipole[J].IEEE Electromagnetics(iWEM),2013,8(1):9-12.

[2] 付灿,李民权,金秀梅.应用于多模卫星定位导航系统的宽带天线设计[J].合肥工业大学学报,2011,34(3):391-394.

[3] Liu Wen,Wang Min,Jiang Yongjin,et al.Design of a wideband circularly polarized microstrip antenna for compass and GPS[J].IEEE Computational Problem-solving(ICCP),2013,8(1):195-198.

[4] Feng Xu,Ke Wu.Guided-wave and leakage characteristic of substrate integrated waveguide[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2005,53(1):66-73.

[5] Gun Dongfang,Qian Zuping,Cao Wenquan,et al.Compact SIW annular ring slot antenna with multiband multimode characteristics[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2015,63(12):5918-5922.

[6] 张根.基片集成波导圆极化天线研究[D].成都:电子科技大学,2015:10-15.

[7] 李鹏.低轮廓背腔天线的频带展宽技术[J].杭州电子科技大学,2011,3(3):20-24.

[8] Gao Fei,Zhang Fushun,Lu Lu,et al.Wideband circularly polarized SIW antenna[J].IEEE Microwave and Optical Technology Letters,2014,56(11):2539-2542.

[9] Zhang Tao,Zhang Van,Hong Wei,et al.Wideband millimeter-wave SIW cavity backed patch antenna fed by substrate integrated coaxial line[J].IEEE Wireless Symposium(IWS),2015,6(1):1-4.

[10] 钟顺时.天线理论与技术[M].北京:电子工业出版社,2015:223-231.

[11] MUKHERJEE S,BISWAS A,SRIVASTAVA K V.Broadband substrate integrated waveguide cavity-backed bow-tie slot antenna[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2014,13(10):1152-1155.

[12] VARNOOSFADERANI M V,Lu Junwei,Zhu Boyuan.Matching slot role in bandwidth enhancement of SIW cavity-backed slot antenna[J].IEEE Antennas and Propagation(APCAP),2014,3(1):244-247.

[13] LACIK J.Circularly polarized SIW square ring-slot antenna for X-band applications[J].IEEE Microwave and Optical Technology Letters,2012,54(11):2590-2593.

[14] Djerafi T,Wu K.Super-compact substrate integrated waveguide cruciform directional coupler[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2007,17(11):757-759.

[15] KIM D Y,LEE J W,LEE T K,et al.Design of SIW cavity-backed circular-polarized antennas using two different feeding transitions[J].IEEE Transactions on  Antennas and Propa,2011,59(4);1398-1403.

[16] KIM D,LEE J,CHO C,et al.X-band circular ring-slot antenna embedded in single-layered SIW for circular polarisation[J].Electronics Letters,2009,45(13):668-669.

[17] Zhang Tao,Zhang Yan,Yu Shunhua,et al.A Q-band dual-mode cavity-backed wideband patch antenna with independently controllable resonances[J].Antennas and Propagation (ISAP),2013,1(1):118-121.

[18] LOKER C,VAUPEL T,EIBERT T F.Radiation efficient unidirectional low-profile slot antenna elements for X-band application[J].IEEE Transactions on Antennas and Propa,2005,53(8):2765-2768.

[19] Fan Fangfang,Wang Wei,Yan Zehong.A novel circular polarized diamond ring-slot antenna design based on SIW structure[J].Wireless Symposium(IWS),2014,6(1):1-4.

[20] Zhu YongZhong.A novel circularly polarized half mode circular substrate integrated waveguide antenna using meandered strip feeding technique[J].International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering,2016,26(8):668-673.

[21] LEIB M,MIRBACH M,MENZEL W.An ultra-wideband vertical transition from microstrip to stripline in PCB technology[J].IEEE International Conference on Ultra-Wideband,2010,2(4):1-4.

[22] Yang Wenwen,Zhou Jianyi.Wideband low-profile substrate integrated waveguide cavity-backed E-shaped patch antenna[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2013,12(6):143-146.



作者信息:

张叶枫,朱永忠,刘明飞

(武警工程大学 信息工程系,陕西 西安710086)

继续阅读>>