基于SIW TE30高階模饋電的八木宇田天線

孫魯兵

摘 要：本文提出了一種新型的TE30高階模激勵技術(shù)并基于此設(shè)計了一款八木宇田天線陣列。在此設(shè)計中，頂面的微帶T型功率分配器用作饋電端口，以激發(fā)TE30模式。在基片集成波導(dǎo)（SIW）底面的縱向方向上沿著三分之一線的兩個槽用于電場在槽模式和SIW模式之間的轉(zhuǎn)換?；诖私Y(jié)構(gòu)，TE30高階模式可以被激勵產(chǎn)生。SIW中傳輸高階模式不僅具有簡化結(jié)構(gòu)的優(yōu)點而且能夠降低加工的難度限制來增強結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性?；诖薚E30高次模結(jié)構(gòu)設(shè)計了一款八木天線作為應(yīng)用。天線的阻抗帶寬高達48%（|S11|<-10dB），頻帶范圍為7.7GHz到12.5GHz，最大仿真增益達到8.5dBi。

關(guān)鍵詞：基片集成波導(dǎo);高次模;模式轉(zhuǎn)換;八木宇田天線

近幾年，基片集成波導(dǎo)（SIW）結(jié)構(gòu)由于其在許多方面的優(yōu)點而變得越來越流行。例如，低剖面，重量輕，成本低，易于集成等優(yōu)點。平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)通過在由上下金屬表面覆蓋的基板上穿孔金屬化通孔陣列而具有與金屬波導(dǎo)類似的性能。由于這些優(yōu)點，SIW在耦合器，功率分配器，濾波器和天線中有許多應(yīng)用[1-4]。它們中的一些甚至可以具有與傳統(tǒng)金屬波導(dǎo)相當?shù)男阅堋ｋS著天線尺寸的增大，特別是在SIW陣列天線中，相鄰的輻射元件被內(nèi)部金屬化通孔隔開，如果陣列尺寸過大，在高工作頻帶下過小的金屬化通孔則需要更高的加工精度，這對通孔金屬化工藝帶來了挑戰(zhàn)。為了解決這個問題，SIW中的高階模式正在引起越來越多的關(guān)注。

本文中，提出了一種基片集成波導(dǎo)TE30模式直接激勵技術(shù)并且設(shè)計了一款印制八木宇田陣列天線。設(shè)計的高次模激勵結(jié)構(gòu)簡單且緊湊，可以被廣泛應(yīng)用于天線饋電網(wǎng)絡(luò)和功率分配網(wǎng)絡(luò)。此天線陣列擁有很寬的帶寬和良好的性能并且陣列內(nèi)部沒有金屬化通孔。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的八木宇田陣列天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。該陣列天線使用的介質(zhì)板為Rogers5880，其厚度為1mm，相對介電常數(shù)為2.2。其主要結(jié)構(gòu)包含兩部分：模式轉(zhuǎn)換部分和陣列天線部分。其包括一個單層介質(zhì)板以及上下兩層金屬層。金屬層包括微帶功分結(jié)構(gòu)、槽結(jié)構(gòu)及八木天線。模式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)由微帶T型功分結(jié)構(gòu)饋電，微帶線的寬度為W1，通過優(yōu)化寬度W1確保輸入阻抗為50Ω。功分器的分支長度為L2，確保信號等幅同相。兩個耦合槽（圖中虛線所示）印刻在底面金屬面，其槽寬為0.4mm，延伸進入基片集成波導(dǎo)的長度為Ls，Ls大約為半波導(dǎo)波長。d_via為匹配金屬化通孔間的距離，通過調(diào)節(jié)其之間的間距來改善阻抗匹配效果?；刹▽?dǎo)的寬度W_siw選擇的依據(jù)為TE30模式的截止頻率。其它優(yōu)化的參數(shù)如表1所示。天線輻射部分包括三個單元，每個單元對稱的印刷在上下金屬面。與傳統(tǒng)的基片集成波導(dǎo)八木宇田天線陣不同的是，本文設(shè)計的天線陣列由TE30模式直接饋電而不是主模TE10模式。

2 仿真結(jié)果分析

該天線在HFSS軟件中的仿真結(jié)果如下所示。圖2所示為天線的反射系數(shù)和增益的仿真結(jié)果。反射系數(shù)|S11|在7.7到12.5GHz的頻帶范圍內(nèi)小于-10dB，相對帶寬48%。在整個工作頻帶內(nèi)，天線的增益曲線較為穩(wěn)定，最大增益為8.5dBi。

天線在10GHz時的歸一化輻射模型如圖3所示。從圖中可以看出，天線的輻射方向圖形狀較為穩(wěn)定且在H面內(nèi)具有較寬的波瓣寬度。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了一款基于TE30模式的八木宇田天線陣列。通過微帶功分結(jié)構(gòu)來激勵產(chǎn)生TE30模式并實現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換。該結(jié)構(gòu)可以廣泛應(yīng)用于天線饋電網(wǎng)絡(luò)和功分網(wǎng)絡(luò)中。該八木天線陣列結(jié)構(gòu)十分簡單，能達到的最大增益為8.5dBi，相對帶寬高達48%且輻射方向圖穩(wěn)定。與傳統(tǒng)的主模饋電方式的八木宇田天線陣相比，該天線陣由TE30模式饋電，因此簡化了天線的饋電網(wǎng)絡(luò)部分并且降低了在高頻時的加工難度，在無線通信領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

參考文獻

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