SIW缝隙阵天线精编版

W波段宽带SIW背腔缝隙天线李翌璇;汪敏;吴跃敏;吴文【摘要】W波段(75～110 GHz)的电磁波大气吸收率低、波长短、可用频带宽,在雷达、通信等领域应用广泛.文章设计了一种W波段基片集成波导(substrate integrated waveguide,SIW)背腔缝隙天线,-10 dB的阻抗带宽达到28.6％(78.93～105.24 GHz),覆盖了W波段75％的频带范围.天线采用双层基片结构.上层为SIW谐振腔及四条辐射缝隙构成的谐振辐射单元,谐振腔内同时存在TM130与TM310混合模、TM320模以及TM330模三种高次模,和辐射缝隙一起形成多谐特性,实现带宽拓展;底层为通过耦合缝隙馈电的集成波导,易于扩展成平面网络,构建高增益背腔缝隙天线阵列.该天线频带宽、交叉极化低、剖面低、易于与平面微波电路集成、加工成本低,具有良好的应用前景.【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2018(033)004【总页数】7页(P404-410)【关键词】W波段;宽带;SIW;高次模;背腔缝隙天线【作者】李翌璇;汪敏;吴跃敏;吴文【作者单位】南京理工大学,南京210094;南京理工大学,南京210094;南京理工大学,南京210094;南京理工大学,南京210094【正文语种】中文【中图分类】TN820引言W波段(75～110 GHz)的电磁波大气吸收率低、波长短、可用频带宽,因此在雷达、通信等领域应用广泛,在远程高分辨率雷达和传感器,千兆字节点对点数据传输和高分辨率无源成像系统等均有应用[1]. 这些系统需要天线具有高效率、高增益和宽带特性. 高效率的W波段天线有喇叭天线、抛物面反射天线和波导缝隙天线等. 前两者是三维结构,应用受到很多限制;波导缝隙天线虽然是平面结构,但体积笨重、加工成本高,难以和平面电路集成. 与金属波导相比,基片集成波导(substrate integrated waveguide, SIW)采用平面工艺,加工方便,易于电路集成,损耗适中;相应地,SIW缝隙天线成了W波段很好的选择.在系统对带宽特性要求不高的情况下,SIW常被作为高效的馈电方式应用于微带天线阵列,从而得到高效率或者高增益的设计[2-4], 但这些阵列受到贴片单元的限制,带宽在7%左右. 背腔缝隙天线有很好的带宽特性[5], 但SIW腔内单独馈一根缝隙的设计很少用于W波段天线,原因是腔尺寸小,为减少泄露往往需要增加短路柱的排布密度,不仅难以加工,也难以保证合理的阵元间距. 在毫米波应用中,利用谐振腔的高次模为多个缝隙同时馈电的设计受到重视[6-7]. 这些设计中,利用微带线或SIW通过一个馈电缝隙在一个大的矩形谐振内激励出多种模式,然后配合2×2的辐射子阵进行辐射. 一个SIW腔馈多个缝隙的背腔缝隙天线,减少了构成腔体所需要的金属过孔,不仅简化了阵列的结构复杂度,降低了加工成本,也减小了金属损耗. 而腔内的多种谐振模式可以用于实现双频或者宽频辐射. 文献[6]在X波段设计了微带线馈SIW腔的缝隙天线阵列,最大增益为15.5 dB,且得到了16.7%的带宽.本文应用高次模的SIW腔,设计了一种W波段宽带SIW背腔缝隙天线. 天线采用双层基片结构,底层为通过耦合缝隙馈电的SIW结构; 顶层为SIW谐振腔及四条辐射缝隙构成的谐振辐射单元,谐振腔内同时存在TM130与TM310混合模、TM320模以及TM330模三种高次模,和辐射缝隙一起形成多谐特性,实现带宽拓展. 设计结果显示,天线的阻抗带宽为28.6%(78.93～105.24 GHz),覆盖了W波段75%的频带范围. 在实验研究中,设计了带宽为76～91 GHz测试转换接口,进行了实物加工与测试,实测的S参数方向图与仿真设计一致性较好. 该天线频带宽、交叉极化低、剖面低、易于与平面微波电路集成、加工成本低、易于扩展成平面网络、构建出高增益的宽带背腔缝隙天线阵列,具有良好的应用前景.1 天线设计1.1 天线结构如图1所示,天线由两块Rogers-Duroid 5880基板(厚度h=0.508 mm,相对介电常数εr=2.2)和三层金属层构成. 上层的介质基板用于构造SIW谐振腔,馈电的SIW 放置在下层的介质基板中. 最上面的金属层上蚀刻四条辐射缝隙,向外辐射能量;位于馈电波导与谐振腔之间的金属层上蚀刻耦合缝隙,将能量从馈电波导耦合入谐振腔. 最下层为金属地面.(a) 辐射层 (b) 馈电层(a) Radiation structure (b) Feeding structure(c) 3D分布图(c) Distributed perspective 3D view图1 天线结构图Fig.1 Antenna structure1.2 参数选择首先考虑馈电SIW的设计. 为了减少电磁波在SIW中的泄露,通孔的直径d和通孔间的距离dp应该满足如下条件:(1)式中,λ0为波在自由空间中传播的波长.SIW谐振腔需要支持多种谐振模式. 它的本征频率与结构参数的关系符合如下公式:(2)式中:εr为介质基板的相对介电常数;μ为介质基板的磁导率;m、n、p分别表示场在x、y、z轴方向上的半驻波数;aeff、beff、ceff分别表示等效谐振腔的长度、宽度和高度.当ae ff=beff,ceff≤aeff且m≠n时,正交模(如TM130和 TM310)可以在谐振腔中以相同的频率激励,且能够混合成新模式在谐振腔中存在.值得注意的是,不是所有高次模及其混合模式都能够在谐振腔中激励,能否激励主要取决于馈电与辐射的位置和方式[7]. 天线由下层的SIW进行馈电,能量从SIW 上方的耦合缝隙馈入谐振腔,在腔内激励出工作于W波段的三种模式:TM130与TM310的混合模,TM320 模以及 TM330 模. 这样三种谐振模式混合展宽了宽带,经四条辐射缝隙耦合后实现了宽带辐射. 优化后的参数如表1所示.表1 天线结构参数Tab.1 Antenna structure parameters mm参数L1L2LxLydp 数值4.34.31.450.40.6 参数djxjyslsw 数值0.40.20.881.150.22 模式分析本节对谐振腔中的多种模式进行详细讨论. 第一种谐振模式为TM130与TM310的混合模式. TM130与TM310在谐振腔中的本征频率相等,对应设计频率79.1 GHz. 在给定边界和激励条件下形成混合模式,其电场的等值线分布图如图2所示. 符号“+”和“-”分别表示电场沿z轴方向垂直向上和垂直向下.(a) TM130模式 (b) TM310模式(a) TM130mode (b) TM310 mode(c) TM130、TM310模混合后的新模式(c) Hybrid mode of TM130 &TM130图2 电场方向Fig.2 E-field distributions当能量从耦合缝进入谐振腔时,耦合缝两侧沿z轴方向的电场方向将会反向[8-9]. 因此,区域4和6处沿z轴方向的电场方向将会反向,如图3所示. 同时,在区域2和8中间处的电场也将因为对称结构而发生改变. 理论与实际仿真得到81.2 GHz频率下电场的辐射方向如图4所示,能量沿着四条辐射缝的宽边进行辐射. 此时,z轴方向的电场相互抵消,只剩y轴方向的分量. 电场在区域4和6的电场密度远高于区域2和8处,占辐射的主要地位.(a) 能量进入耦合缝前 (b) 能量进入耦合缝后(a) Before coupling (b) After couplingslot excitation slot excitation图3 混合模式的电场方向Fig.3 E-field contour map of hybrid mode(a) 理论分析 (b) 仿真结果(a) Theoretical analysis (b) Simulation results图4 TM130 和 TM310 混合模的电场分布Fig.4 E-field distribution of hybrid mode of TM130 and TM310第二种辐射模式为TM320模,对应设计频率90.1 GHz. 当能量进入谐振腔时,耦合缝两边的电场将反向,因此,此时的TM320模电场方向保持不变,如图5所示. 电场方向沿着y轴,而由于四条辐射缝的存在,电场主要沿y轴在四条辐射缝宽边中部辐射. 理论与实际仿真得到93.5 GHz频率下电场的辐射方向如图6所示.图5 TM320 模的电场方向Fig.5 E-Field distributions of TM320mode(a) 理论分析 (b) 仿真结果(a) Theoretical analysis (b) Simulation results图6 TM320模的电场分布Fig.6 E-field distribution of TM320第三种辐射模式为TM330,对应设计频率106.1 GHz. 当能量从耦合缝进入谐振腔时,耦合缝两侧沿z轴方向的电场方向将会反向. 因此,区域1和3处、4和6处以及7和8处沿z轴方向的电场方向将会反向,如图7所示. 同时,在区域2、5和8中间处的电场也将因为对称结构而发生改变. 因此,电场的辐射方向与TM320类似,电场沿着y轴向外辐射. 理论与实际仿真得到104.7 GHz频率下电场的辐射方向如图8所示.(a) 能量进入耦合缝前 (b) 能量进入耦合缝后(a) Before coupling (b) After couplingslot excitation slot excitation图7 TM330模的电场方向Fig.7 E-field contour map of TM330 mode(a) 理论分析 (b) 仿真结果(a) Theoretical analysis (b) Simulation results图8 TM330模的电场分布Fig.8 E-field distribution of TM3303 仿真结果本设计通过HFSS软件仿真,得到的仿真结果与分析一致,出现了对应三种模式的三重谐振点,如图9所示. 可以看出:三个谐振点频率分别为81.84 GHz、93.53 GHz、104.84 GHz; -10 dB的阻抗带宽为79.93～105.24 GHz(28.6%),覆盖了W波段75%的频带范围.三个谐振频率上对应的方向图如图10所示.三个谐振频率的增益分别为7.92 dB、9.22 dB、9.92 dB;交叉极化都低于-45 dB. 可以看出,该天线在频带内方向图稳定,交叉极化低.图9 天线的S11参数Fig.9 S11 parameter of the antenna(a) 81.84 GHz(b) 93.53 GHz(c) 104.84 GHz图10 天线方向图Fig.10 Radiation pattern of the antenna4 测试结果对W波段天线进行回波损耗和方向图测试时,测试设备需要采用W波段标准矩形波导(内部尺寸2.54 mm.×1.27 mm)接口连接. 为此,本文设计了如图11所示的从SIW到矩形波导的转换结构[10]. 该结构带宽有限,可以对SIW短路和转换膜片的尺寸进行分段设计. 本文仅给出76～91 GHz频带范围内的实物加工与测试. 加工采用普通激光印刷电路板(printed circuit board, PCB)工艺,分别对SIW谐振腔天线、馈电SIW及波导转换结构的两层基板进行加工,通过基板四周设置安装和定位孔用螺钉进行组装,加工的两层基板以及组装后的天线实物照片如图12所示.图11 SIW至标准矩形波导的转换Fig.11 Transition from SIW to standardrectangular waveguide图12 天线实物Fig.12 Antenna prototype对天线的S参数测试采用了Agilent公司生产的矢量网络分析仪. 加转换结构前后S11参数仿真结果以及实际测试的S11结果如图13所示. 可以看出天线的实际工作带宽受到转换结构的影响变为76.4～91 GHz,因此仅给出75～94 GHz频段内的实测结果,与仿真的带宽基本一致,除了82.6 GHz的谐振点与仿真有些偏差,其他吻合得很好. 测试结果产生偏差的原因主要有PCB工艺的加工误差,采用螺丝安装定位的误差以及测试连接误差等. 由于W波段的天线尺寸小,缝隙的加工与安装误差对天线的影响相对较大[11].天线的方向图采用W波段信号源加低噪放发射,待测天线接W波段接收检波系统进行测试. 分别对频段内80 GHz和90 GHz两个频率上的主极化方向图进行了测试,归一化结果如图14所示. 由于天线尺寸较小,天线增益小,加上测试环境不够理想,得到的方向图信噪比不够好,同时安装部件也会有一定影响,但实测方向图与仿真结果基本一致. 交叉极化太小,未能获得准确的测量结果. 两个频率上的半功率波束宽度仿真与测试结果见表2,数值较为相符.图13 天线的S11 参数Fig.13 S11 parameter of the antenna(a) 80 GHz(b) 90 GHz图14 天线方向图Fig.14 Radiation pattern of the antenna表2 天线半功率波束宽度Tab.2 Half-power beam-width of the antenna频率/GHz仿真E面/(°)实测E面/(°)仿真H面/(°)实测H面/(°)8029.229.225.224.6 9048.646.423.824.05 结论本文应用高次模的SIW腔,设计了一种W波段宽带SIW背腔缝隙天线. 谐振腔内同时存在TM130与TM310混合模、TM320模以及TM330模三种高次模,从而有效展宽了天线的阻抗带宽,达到28.6%(78.93～105.24 GHz),覆盖了W波段75%的频带范围,且交叉极化很低. 实验验证中因受到了测试设备接口转换的限制,仅给出76～91 GHz频带范围内的测试结果,与仿真结果吻合得较好. 该天线可以用作抛物面天线的初级馈源,也可直接扩展成低剖面的高增益宽带背腔缝隙天线阵列,具有良好的应用前景.参考文献【相关文献】[1] GHASSEMI N, WU K. Planar dielectric rod antenna for gigabyte chip-to-chip communication[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2012, 60(10): 4924-4928.[2] GHASSEMI N, WU K, CLAUDE S, et al. Low-cost and high-efficient W-band substrate integrated waveguide antenna array made of printed circuit board process[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2012, 60(3): 1648-1653.[3] GHASSEMI N, WU K, CLAUDE S, et al. High-efficient patch antenna array for E-band gigabyte point-to-point wireless services[J]. IEEE transactions on antennas and propagation,2012, 60(3): 1648-1653.[4] CHENG Y J, GUO Y X, LIU Z G. W-band large-scale high-gain planar integrated antenna array[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2014, 62(6): 3370-3373.[5] GUAN D F, DING C, QIAN Z P, et al. An SIW-based large-scale corporate-feed array antenna[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2015, 63(7): 2969-2976.[6] WU P, LIAO S W, XUE Q. A substrate integrated slot antenna array using simplified feeding network based on higher order cavity modes[J]. IEEE transactions on antennasand propagation, 2016, 64(1): 126-135.[7] LI W X, XU D K, TANG X H, et al. Substrate integrated waveguide cavity-backed slot array antenna using high-order radiation modes for dual-band applications in K-band[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2017, 65(9): 4556-4564.[8] LIU W, CHEN Z N, QING X M. Metamaterial-based low-profile broadband mushroom antenna[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2014, 62(3): 1165-1172.[9] BAYDERKHANI R, FOROORAGHI K, ABBASI-ARAND B. Gain enhanced SIW cavitybacked slot antenna with arbitrary levels of inclined polarization[J]. IEEE antennas wireless propagation letters, 2015, 14: 931-934.[10] DESLANDES D, WU K. Integrated microstrip and rectangular waveguide in planar form[J]. IEEE microwave and wireless components letters, 2001,11(2): 68-70.[11] STEPHENS D, YOUNG P R, ROBERTSON I D. W-band substrate integrated waveguide slot antenna[J]. Electronics letters, 2005, 41(4): 165-167.。

2018年8月第4期现代导航·291·加载SIW背腔的低剖面缝隙天线穆欣（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）摘要：本文提出了一种新的微带缝隙天线。

通过在SIW（Substrate Integrated Waveguide，介质集成波导）一面地板上刻蚀矩形辐射缝隙，利用GCPW（Grounded Coplanar Waveguide）馈电，实现了微带缝隙天线的单向辐射。

对比传统的带四分之一波长反射板单向辐射缝隙天线，该天线实现了极低剖面（天线厚度仅为0.029λ）。

文章详细分析了该类型天线的辐射原理和天线结构参数对谐振频率的影响。

关键词： SIW，缝隙天线，低剖面中图分类号：TN823 文献标识码：A 文章编号：1674-7976-(2018)04-291-04 Low Profile Slot Antenna Backed by Substrate Integrated Waveguide CavityMU XinAbstract: A novel cavity backed planar slot antenna has been described in this paper. Directional performance is realized on the slot antenna by etching a rectangular slot on the SIW (Substrate Integrated Waveguide) which is feed by GCPW (Grounded Coplanar Waveguide). Compared with the conventional slot antenna which integrated with a reflector at a quarter wavelength behind,the profile of the proposed antenna is only 0.029λ.The radiation principle of the antenna and the influence of antenna structure parameters on resonant frequency are analyzed in detail.Key words: SIW; Slot Antenna; Low Profile0 引言低剖面天线具有纵向尺寸小，易共形等优点被广泛应用在卫星、飞机等平台上。

基片集成波导缝隙阵天线设计随着无线通信技术的快速发展，天线作为无线通信系统中不可或缺的一部分，其性能和设计受到了广泛。

其中，基片集成波导缝隙阵天线具有体积小、重量轻、易于集成等优点，成为了研究的热点。

本文将介绍一种基于基片集成波导缝隙阵天线的分析与设计。

在基片集成波导缝隙阵天线设计中，首先需要考虑的是材料的选取。

常见的基片集成波导材料包括陶瓷、玻璃、硅等。

这些材料具有高导电性、高绝缘性、低损耗等特点，能够有效降低天线的传输损耗。

同时，为了满足天线的小型化需求，我们还需要选择具有较高介电常数的材料，以减小天线的尺寸。

在确定材料后，我们需要对天线的形状和接口进行设计。

基片集成波导缝隙阵天线的常见形状包括矩形、圆形、椭圆形等。

这些形状的设计需要根据实际应用场景和通信标准来进行选择。

同时，为了实现天线的高性能和宽频带特性，我们还需要考虑接口的设计，包括如何连接天线与传输线，以及如何实现天线与其他设备的兼容性。

具体设计中，我们需要先确定缝隙阵的形状和大小。

这可以通过在基片集成波导上刻蚀一定形状和大小的缝隙来实现。

同时，我们还需要根据通信标准的要求，选择合适的缝隙长度和宽度。

为了提高天线的辐射效率和方向性，我们还需要对天线进行辐射特性和方向图的分析与优化。

在仿真阶段，我们使用电磁仿真软件对设计好的基片集成波导缝隙阵天线进行性能预测。

通过仿真，我们可以得到天线的辐射特性、方向图、增益等性能指标。

分析仿真结果，我们可以发现天线的性能优势和不足之处，从而进行针对性的优化。

实验验证是天线设计的重要环节。

在此阶段，我们实际制作天线并对其进行测试。

具体操作过程包括搭建测试平台、连接天线与测量设备等。

通过实际测量，我们可以得到天线的实际性能指标，并将其与理论分析和仿真结果进行比较。

实验验证结果表明，所设计的基片集成波导缝隙阵天线在辐射特性、方向图等方面均表现出较好的性能，符合预期设计目标。

本文通过对基片集成波导缝隙阵天线的设计与制作进行分析，探讨了其优势和应用前景。

现代电子技术Modern Electronics Technique2023年6月1日第46卷第11期Jun.2023Vol.46No.110引言用于60GHz 通信的频段自由空间损耗达到15dB/km ，而且该频段内的介质损耗、表面波损耗、辐射损耗十分严重。

如何设计出具有高增益、宽频带、高效率的天线一直是科研工作者面临的难题[1]。

近年来人们提出不同类型的毫米波天线[2⁃6]，以上天线的增益受到馈电网络的影响。

微带线组成的馈电网络剖面低、结构简单，已经广泛地应用在微波的低频段，但是微带线的传输损耗随着频率的增加而增加，而且微带线自身的不良辐射也会降低天线在毫米波波段的性能。

与微带线相比，波导结构组成的馈电网络具有较低的传输损耗，但制造成本高、体积笨重、难以集成等特点不利于大规模的生产。

基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide,SIW ）具有平面结构、制造成本低、易于集成、低损耗等优点，因此受到广泛的关注。

文献[7⁃9]提出了基于SIW 单层缝隙天线，从一端通过共面的馈电网络馈电，这样就增加了天线的面积，而且馈电网络产生的不良辐射会使天线的旁瓣电平恶化，馈电网络传输损耗较大导致增益降低。

低温共烧陶瓷技术广泛地应用在毫米波天线中，文献[10⁃13]设计了采用低温共烧陶瓷技术的毫米波天线，并且具有良好的性能，但是与多层PCB 制造技术相比，工艺复杂、昂贵、材料损耗大，导致辐射效率低。

本文设计了一种60GHz SIW 缝隙耦合馈电微带贴片天线，天线采用双层基片结构，底层为通过矩形缝隙耦合馈电的SIW 结构，顶层为圆形与圆环贴片结合形成的辐射贴片。

这种双层的天线可以采用低成本多层PCB 工艺制造。

通过优化圆环与圆形贴片的尺寸形成两个频率接近的谐振点，通过优化馈电缝隙长度和宽度增加天线的阻抗带宽。

在实际测试过程中设计了天线到传统矩形波导的转接口，并且进行了实际的加工与测试。

基片集成波导缝隙稀疏阵天线的设计卫杰;何十全;廖绍伟;徐建华【摘要】提出并分析了两类基于基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)的缝隙稀疏阵列天线.减少缝隙单元的数目,对于(基片集成)波导缝隙阵列天线具有重要的意义,可以简化设计、展宽带宽、降低加工工艺要求等.阵列天线稀疏化明显降低了缝隙单元间的互耦,使得低副瓣天线的设计更容易.全波仿真结果有效验证了设计的正确性和有效性.【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2013(028)006【总页数】4页(P1165-1168)【关键词】缝隙阵列天线;基片集成波导;稀疏阵列;低副瓣【作者】卫杰;何十全;廖绍伟;徐建华【作者单位】电子科技大学电子工程学院,四川成都611731;电子科技大学电子工程学院,四川成都611731;上海贝尔实验室,上海201206;电子科技大学中山学院,广东中山528402【正文语种】中文【中图分类】TN820.15引言利用标准的印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)工艺加工制作的基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide，SIW)是一种类似于传统矩形金属波导的准封闭平面导波结构[1].与传统波导相比，它具有结构紧凑、质量轻、易于集成和加工的优点.因此，基于SIW的缝隙阵列天线，近些年得到了广泛的研究和应用[2-5].SIW宽边纵缝阵列天线是其中的一种重要类型，它是通过调节缝隙的长度和相位分布，从而实现低副瓣和高增益设计.当设计一个具有较高增益的低副瓣缝隙阵列时，在满足一定的驻波条件情况下，要求阵列边缘处缝隙的辐射导纳很小，即偏置很小，此时缝隙的辐射特性对偏置量非常敏感，尤其是在高频段，这造成了成品率低，有时甚至无法实现的问题.另外，众所周知，当阵列单元较多时，采用经典的Elliott迭代设计流程，将是一个非常耗时的过程[6-7].针对这些问题，文中提出了两类SIW缝隙稀疏阵列天线的解决办法，简化了设计、改善了性能、降低了成本和工艺要求等.分析和仿真结果验证了该方法的正确性和有效性.1 天线的结构与传统的金属矩形波导不同，SIW传输线的设计与加工更灵活，通过适当选取介质材料、波导宽度、孔距等参数，SIW中的TE10模波导波长λg可以设计在0.65λ0至1.75λ0之间.这使得我们可以对SIW缝隙阵列天线进行稀疏化设计，其拓补结构如图1所示.稀疏阵I:当λg在0.65λ0至1.75λ0之间时，如果将相邻波导分支上的缝隙，采用蛇形布阵的三角拓补结构，可以保证方向图中不出现栅瓣.值得一提的是本方法同样可以用于金属矩形波导缝隙阵列天线，此时为实现各缝隙的同相激励，相邻SIW分支中缝隙应沿分支中心线交错排列.稀疏阵II:当0.65λ0<λg<0.8λ0时,不同SIW分支中的缝隙则可以采用传统矩形拓补结构布阵，此时缝隙间距为一个波导波长，沿分支中心线同侧排列.(a) 稀疏阵列天线I(b) 稀疏阵列天线II(c) 等效电路图1 SIW宽边纵缝稀疏阵列天线根据谐振阵列输入驻波比(RVWR)与辐射缝隙的数量N及带宽B之间的关系式[8](1)可以预计，4×8的SIW缝隙稀疏阵列与传统的4×16的阵列相比，缝隙的数量减少了一半，在具有类似辐射特性和匹配条件下，稀疏阵列的带宽将得到扩展，而缝隙偏置量也将变大，这更易于阵列天线的设计和加工.2 SIW缝隙稀疏阵的设计将辐射SIW分支中的缝隙间距确定为一个TE10模波导波长λg，对SIW缝隙阵列天线进行稀疏化设计.具体步骤：首先，根据馈电方式和设计参数如介质材料、天线工作频率、波瓣宽度、副瓣大小等要求，选择不同的稀疏化策略，进而设计SIW传输线；其次，建立缝隙单元的等效模型及其参数提取；最后，进行阵列综合与设计.2.1 SIW传输线的设计选定工作在10 GHz的4×8的SIW缝隙稀疏阵列作为设计示例.设计中选用1.524 mm RO4350B作为介质板，如图2所示，其它主要参数为：a=11.5 mm,s=0.9 mm,d=0.5 mm,w=0.2 mm.通过计算可得[1]：自由空间中波长λ0=30 mm，λg≈22.8 mm,OQ≈12 mm,OP≈12.4 mm,PQ≈17.26 mm，矢量PQ大概在φ=45°方向上.如图2(a)所示,如果将相邻的三个呈三角分布的缝隙视为一个基本辐射单元，单元在PQ方向上间距最大，约为0.58λ0，满足无栅瓣的条件.如图2(b)所示,如果采用矩形拓补结构，由于缝隙单元间距为λg，约为0.76λ0，也满足无栅瓣的条件.(a) 三角形拓补 (b) 矩形拓补图2 稀疏化拓补结构2.2 缝隙单元等效模型及导纳的提取与传统金属矩形波导缝隙阵列天线类似，当SIW宽边纵缝的偏置适中时，传输线内缝隙两边的前后向散射波具有对称性.此时，其等效为传输线上的并联导纳，如图3所示，归一化的等效导纳可以表示为[5]=g(x)·[hr(y)+jhi(y)].(2)式中： x是缝隙偏置；y=l/lr(x)是缝隙长度与其谐振长度的比值； g(x)=Gr/G0是归一化谐振导纳；hr(y)和hi(y)分别代表归一化等效导纳的实部和虚部.由图3(c)可以看出，当偏置x小于0.2 mm时，缝隙谐振长度变化十分剧烈，特别是小于0.1 mm时，缝隙已经跨过SIW的中心线，此时模型已不再成立.与此对应的是图3(b)中的等效谐振导纳，其小于0.02的部分将不能实现，这就客观上制约了天线的设计，尤其是窄波束、低副瓣天线.而阵列的稀疏化可以在一定程度解决这一矛盾.图3 SIW宽边纵缝单元等效电路模型及参数提取2.3 稀疏阵列天线的设计阵列的稀疏化，将原有的缝隙单元减少了一半，单元间隔也增加了近乎一倍，同时大大地减小了外部耦合和内部高次模对缝隙谐振特性的影响.这使我们可以考虑在Elliott迭代设计流程的基础上，忽略耦合的影响，从而简化设计过程.需要强调的是即便采用严格的Elliott迭代设计方法，其设计难度和和迭代时间都将大大降低.最后，对两类4×8的SIW缝隙稀疏阵列进行了简化设计.以稀疏阵I为例，首先，将两个相邻的SIW分支视为一个弯曲的线阵，在单元缝隙导纳提取结果的基础上，利用MATLAB计算出25 dB泰勒分布所需的缝隙偏置和长度参数.然后，将蛇形曲线阵通过1分4的等幅功分器扩展成一个4×8的稀疏面阵.如图4所示，蛇形曲线阵在H面实现了准泰勒的口径分布.另外，图5给出了两种稀疏阵的插入损耗和方向系数，图6给出了天线的10 GHz方向图.结果表明:在X波段两种稀疏阵列天线在没有调试的情况下，直接实现了3.4%左右的相对带宽，E面SLL也都在-13.5 dB左右(与设计吻合)；同时，稀疏阵列天线I和II的H面SLL分别达到-23.5dB(基本吻合)和-17.5 dB.图4 稀疏阵I缝隙中心电场幅值和相对相位图5 两类稀疏阵列天线的插入损耗和方向性系数(a) (b)(c) 图6 两类稀疏阵列天线的方向图3 稀疏阵列天线性能评价稀疏阵列天线I：通过对比，可以发现稀疏阵列天线I与设计指标基本吻合，这是因为采用的三角交错拓补结构，缝隙单元间的外部耦合更小.这种稀疏化设计方法，极大地简化了设计，对于大型的SIW或传统金属矩形波导缝隙阵列天线的设计具有重要的参考意义.稀疏阵列天线II：尽管稀疏阵列天线II的副瓣与既定的设计指标具有一定的差距，但这仅仅是在不考虑互耦，且无任何优化的情况下得到的结果.对于稀疏阵列天线II，若采用多层中心馈电方式，将非常适合于频率更高或阵列更大的场合.4 结论文中提出的两种稀疏化阵列拓补结构对于SIW或传统金属矩形波导缝隙阵列天线的设计都具有的参考意义，为今后高性能SIW缝隙大型面阵的研制奠定了技术基础.理论分析和仿真实验验证了其可行性和由此带来的好处，如简化了设计和降低了加工要求.另一方面，稀疏化也是展宽匹配带宽和低副瓣带宽的有效途径.参考文献[1] DESLANDES D, WU K. Accurate modeling, wave mechanisms, and design considerations of a substrate integrated waveguid[J]. IEEE Trans Microw Theory Tech, 2006, 54(6): 2516-2526.[2] YAN L, HONG W, HUA G, et al. Simulation and experiment on SIW slot array antennas[J]. IEEE Microw Wirel Compon Lett, 2004, 14(9): 446-448.[3] 徐俊峰, 洪伟, 蒯振起, 等. 平衡馈电基片集成波导缝隙阵列全向天线[J]. 电波科学学报, 2008, 23(2): 207-210.XU Junfeng, HONG Wei, KUAI Zhenqi, et al. Substrate integrated waveguide (SIW) slot array omni-directional antenna with balanced feeding[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2008, 23(2): 207-210.(in Chinese)[4] 余晨, 洪伟, 周健义. 基片集成波导全向滤波天线多天线阵列[J]. 电波科学学报, 2012, 27(2): 301-306.YU Chen, HONG Wei, ZHOU Jianyi. Substrate integrated omnidirectional filtenna MIMO array[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2012, 27(2): 301-306.(in Chinese)[5] 余晨, 洪伟, 翟国华, 等. 基片集成波导混合功率分配器馈电对数周期天线[J]. 电波科学学报, 2011, 26(3): 437-441.YU Chen, HONG Wei, ZHAI Guohua, et al. SIW hybrid power divider fed periodic antenna array [J]. Chinese Journal of Radio Science, 2011, 26(3): 437-441. (in Chinese)[6] ELLIOTT R S. An improved design procedure for small arrays of shunt slots[J]. IEEE Trans Antennas Propagat, 1983, 31(1): 48-53.[7] ELLIOTT R S, LOUGHLIN W R O. The design of slot arrays including internal mutual coupling[J]. IEEE Trans Antennas Propagat, 1986, 34(9): 1149-1154.[8] HAMADALLAH M. Frequency limitations on broad-band performanceof shunt slot arrays[J]. IEEE Trans Antennas Propagat, 1989, 37(7): 817-823.。

一种基于HMSIW的双频段缝隙天线设计董湘龙;张文;耿鸿健;黄旻【摘要】通为设计结构简单和可靠性高的天线,该文提出了基于半模基片集成波导(HMSIW)结构技术的一种四元双频谐振缝隙天线.该天线在半模基片集成波导结构上增加缝隙单元,改变了HMSIW谐振腔的波导辐射结构.通过电磁仿真软件对提出的天线结构进行了建模,利用波导等效电路模型来研究HMSIW缝隙阵列天线的谐振特性,获取天线的结构参数,探讨了双频辐射特性.仿真与实验测试结果表明,该双频缝隙天线可工作于C波段(5.54 GHz和7.74 GHz),且天线增益均高于5.9 dBi,有助于研制小体积高增益天线.【期刊名称】《自动化与仪表》【年(卷),期】2018(033)012【总页数】5页(P98-102)【关键词】双频天线;半模基片集成波导;缝隙天线【作者】董湘龙;张文;耿鸿健;黄旻【作者单位】核工业二三○研究所,长沙410007;核工业二三○研究所,长沙410007;陆军步兵学院二大队,南昌330103;深圳市沃土科技有限公司,深圳518109【正文语种】中文【中图分类】TN82波导缝隙阵列天线因其结构紧凑、馈电网络与辐射一体化，且具有高增益、窄波束、超低副瓣等特性，在雷达和通信系统中应用广泛；但其尺寸相对较大，加工成本高，且不易与微波毫米波平面电路集成，极大地限制其实际应用。

微带天线具有平面电路结构，易与微波毫米波电路集成，加工设计简便；但其传输损耗大，功率容量小，也不适于全面推广[1-2]。

而半模基片集成波导HMSIW（half-mode substrate integrated waveguide）却很好地克服这些缺陷[3-4]；HMSIW不仅继承了波导的低损耗、高Q值、大功率容量的优点，而且保留了基片集成波导SIW （substrate integrated waveguide）低轮廓、易集成、低成本及高可靠性的优势。

基于HMSIW的缝隙阵列天线，相比于微带、SIW等传输线天线，具有更低的插损，且相对于SIW其尺寸缩减近50%，便于微波毫米波电路系统高集成、小型化的发展[5]。