0 引言

    當(dāng)前，通信系統(tǒng)、定位系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)多樣，雖然多天線能滿足覆蓋多頻段的需求，但隨著系統(tǒng)集成度的提高，多天線之間的耦合和干擾越來(lái)越不容忽視。因而人們希望單個(gè)天線具有多模寬帶的特性，這對(duì)天線的工作性能提出了更高的要求。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，天線工作者設(shè)計(jì)了改進(jìn)的單極子結(jié)構(gòu)^[1]、微帶結(jié)構(gòu)^[2，3]等天線，但仍在探索新技術(shù)以更好地達(dá)到多模寬帶要求。基片集成波導(dǎo)技術(shù)自吳柯教授^[4]提出以來(lái)，因其低損耗、高Q值、易于平面電路集成等優(yōu)勢(shì)，成為天線工作者的研究熱點(diǎn)。因此，探索基片集成波導(dǎo)技術(shù)實(shí)現(xiàn)多模寬帶天線是當(dāng)前的重要課題。

    現(xiàn)有的基片集成波導(dǎo)多模寬帶天線，從結(jié)構(gòu)上看，可分為貼片開槽、地板開槽、加載感性通孔和改進(jìn)饋電結(jié)構(gòu)四種。

1 貼片開槽的基片集成波導(dǎo)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(dǎo)壁上的半波諧振縫隙。當(dāng)在波導(dǎo)金屬壁表面開槽時(shí)，截?cái)嗔嗽鹊膬?nèi)壁表面電流線，部分電流繞過(guò)縫隙，另一部分以位移電流的形式流經(jīng)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(guò)改變電流的路徑，就能控制諧振點(diǎn)的位置。當(dāng)出現(xiàn)多個(gè)諧振點(diǎn)并在工作帶寬內(nèi)時(shí)，就得到了多模寬帶結(jié)構(gòu)。常見的開槽方式為矩形、環(huán)形、E形，再加入微擾，往往能夠激發(fā)多個(gè)模式，但帶寬較窄^[5，6]。

    通過(guò)貼片開槽技術(shù)，貼片輻射和縫隙槽輻射同時(shí)存在，使得天線具有多模特性。設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)是如何調(diào)整相關(guān)參數(shù)使各簡(jiǎn)并模式相互靠近，從而展寬帶寬?？紤]到工藝和理論分析的簡(jiǎn)便，在實(shí)際應(yīng)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(zhǎng)度L₁決定著天線的工作頻率，其經(jīng)驗(yàn)公式為^[7]：

    當(dāng)開環(huán)形縫隙時(shí)，影響天線工作頻率的主要是圓形貼片的半徑R₁和環(huán)槽的半徑R₂，其經(jīng)驗(yàn)公式為^[8]：

    文獻(xiàn)[7][9]通過(guò)貼片開槽技術(shù)獲得雙諧振模式，并且增加基片厚度進(jìn)一步拓展天線帶寬。文獻(xiàn)[7]將矩形槽稍作改動(dòng)為梯形槽，通過(guò)調(diào)整貼片的長(zhǎng)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(xiàn)[9]是常規(guī)的矩形貼片和矩形環(huán)槽雙諧振，通過(guò)改變貼片的長(zhǎng)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(dǎo)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(yīng)用為螺旋天線和蝶形天線。將設(shè)計(jì)超寬帶的技術(shù)與基片集成波導(dǎo)技術(shù)相結(jié)合，能夠在一定程度上展寬同類基片集成波導(dǎo)天線的帶寬。

    研究表明，通過(guò)合適的饋電結(jié)構(gòu)，蝶形縫隙天線能夠展寬一定的帶寬^[11]，成為設(shè)計(jì)寬帶天線的常用結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[11][12]采用了蝶形縫隙結(jié)構(gòu)，仿真表明蝶形縫隙的寬度為主要影響因素，通過(guò)參數(shù)優(yōu)化，最終展寬了天線帶寬。

    文獻(xiàn)[11]所示，使用蝶形縫隙結(jié)構(gòu)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(dá)到9.4%。

    文獻(xiàn)[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(dòng)了腔體頂面的電流和腔體的能量耦合。諧振縫隙設(shè)計(jì)在腔體電場(chǎng)最強(qiáng)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(guò)20 dBi。

3 加載感性通孔的基片集成波導(dǎo)多模寬帶天線

    傳統(tǒng)的矩形縫隙貼片天線能夠激發(fā)兩個(gè)簡(jiǎn)并模式，但帶寬很窄，在單貼片的基礎(chǔ)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(xiàn)[13-16]在這方面做出了積極探索，通過(guò)加載非對(duì)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(guò)3%。圖1^[17]通過(guò)加載感性通孔和容性環(huán)槽，引入了新的頻率，調(diào)整參數(shù)使其與貼片的頻率耦合，天線的阻抗帶寬增至12.4%。

4 改進(jìn)饋電結(jié)構(gòu)的基片集成波導(dǎo)多模寬帶天線

    一般來(lái)說(shuō)，采用寬帶匹配相移網(wǎng)絡(luò)饋電，能夠在一定程度上展寬天線的帶寬，但其設(shè)計(jì)復(fù)雜，如何采用適宜的饋電方式是天線設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

    為了盡可能地簡(jiǎn)化天線設(shè)計(jì)，常常采用轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)有展寬天線帶寬的饋電設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu) 

    使用薄基片可以消除高次模，但此時(shí)卻很難消除基礎(chǔ)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(huì)受到影響，短路針的位置離縫隙越遠(yuǎn)，能量會(huì)產(chǎn)生泄露，并且天線的效率會(huì)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(guò)采用同軸線-SIW轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，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(jiǎn)化天線設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[19]對(duì)上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，采用特殊形狀的結(jié)構(gòu)，在增益差不多的前提下，進(jìn)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(shù)的對(duì)比結(jié)果。

4.2 采用帶狀線-SIW饋電結(jié)構(gòu)

    對(duì)于圓形貼片和縫隙天線，不同模式的諧振頻率的計(jì)算公式為^[2]：

    圖3^[8]對(duì)文獻(xiàn)[5]中模型的貼片結(jié)構(gòu)和饋電結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，采用了帶狀線-SIW的饋電方式，通過(guò)調(diào)整T形饋線的參數(shù)，能夠?qū)⒈城恢C振器、環(huán)縫和貼片激發(fā)的三個(gè)模式進(jìn)行耦合，軸比帶寬和阻抗帶寬分別達(dá)到了25.6%和12%。

    文獻(xiàn)[20]在半?；刹▽?dǎo)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用了彎折帶狀線-SIW的饋電方式，增強(qiáng)了鄰近耦合，達(dá)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(jié)構(gòu)

    圖4^[15]和文獻(xiàn)[16]都采用了微帶線-SIW饋電方式，并增加了非對(duì)稱感性通孔陣列來(lái)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(jié)構(gòu)

    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(jié)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)換使用。其中，帶狀線-微帶線結(jié)構(gòu)能消除盲孔帶來(lái)的工藝上的復(fù)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(guān)心的頻帶范圍內(nèi)應(yīng)使饋電探針與金屬貼片引入的電抗大小相等，符號(hào)相反。

    圖5^[22]采用了帶狀線-微帶線饋電結(jié)構(gòu)，在饋電帶狀線末端加載枝節(jié)，使得枝節(jié)的輸入阻抗呈感性，來(lái)補(bǔ)償?shù)皖l和高頻處的電容，最終阻抗帶寬和增益分別達(dá)到10.9%和7.7 dBi。

5 結(jié)論

    綜上所述，基片集成波導(dǎo)多模寬帶天線有很多實(shí)現(xiàn)方法，在實(shí)際應(yīng)用中，還要達(dá)到高增益、小型化、易共形等具體應(yīng)用場(chǎng)景要求。目前的設(shè)計(jì)還存在交叉極化水平較高、增益不高、結(jié)構(gòu)較大、帶寬仍不夠?qū)挼葐?wèn)題，尋找?guī)捄徒Y(jié)構(gòu)的平衡點(diǎn)是實(shí)際工程中天線設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。雖然面臨諸多困難，但隨著理論的不斷完善和技術(shù)的不斷發(fā)展，基片集成波導(dǎo)多模寬帶天線技術(shù)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(xué) 信息工程系，陜西 西安710086）