翟建龙

（中北大学，山西 太原 030051）

0 引言

随着现代无线技术的迅速发展，天线成为无线应用的关键部件，因此对天线性能也提出了更高的要求。

微带贴片天线具有重量轻、尺寸小、结构紧凑、辐射损耗低、易集成、辐射特性好等优点[1-2]。但由于一般的微带天线带宽较窄，阵列损耗大的缺点，使其在应用上受到很大的限制。微带缝隙天线具有高增益、重量轻、副瓣低、小型化、易加工等特点，一直在无线通信领域有广泛的应用。现有的微带缝隙天线有环形缝隙微带天线、矩形缝隙微带天线、折叠缝隙微带天线、渐变缝隙微带天线、分形天线，其带宽可达到10%～100%。提出了一种背腔式六边形缝隙天线，其采用基片集成波导结构谐振腔体并有微带线和线性渐变过渡段进行馈电，通过调节六边形缝隙大小，使得天线达到带宽147MHz，增益4.87dB。设计了一种W波段基片集成波导背腔缝隙天线，该天线的阻抗带宽达到28.6%，覆盖了W波段75%的频带范围，且交叉极化极低。采用共面波导传输方式设计了一种缺陷接地结构的哑铃型缝隙天线，实现了抑制高次谐波的效果。共面波导馈电结构由带状的中心金属导体馈电和两边的槽线组成，并制作在电介质层的上表面。共面波导馈电与传统的微带传输线馈电方式相比具有结构简单，易于与有源或无源设备共形、避免了基片的穿孔和开槽、有效减少了辐射损耗等优点。同时,共面波导的特性阻抗仅由中心馈电金属和两边槽线的比值确定，可以通过适当改变比值达到有效减小尺寸的目的。

本文设计并加工了一种Ku波段背腔式缝隙天线，详细分析了缝隙天线结构中背腔深度h、缝隙的宽度W、长度L对天线性能的影响，并实际测试了天线样机的性能。该缝隙天线频带宽，高增益，易集成，加工成本低，在实际中有广泛的应用前景。

1 天线设计

利用高频结构仿真软件（HFSS）对所提出的背腔式缝隙天线进行建模分析以及仿真优化，得出天线性能最优时的结构参数：L=23mm，W=7.3mm，t=2mm，h=3mm，s=0.11mm，w=1mm，a=13.5mm，b=23.6mm。通过仿真最优参数得到的回波损耗S11如图2所示，天线的谐振频率f=13.34GHz，在频段11.00～14.12GHz内的S11参数小于-10dB，带宽为3.12GHz。

图1 天线结构示意图

图2 S11 随f 的变化曲线

2 性能分析

2.1 缝隙尺寸对天线性能的影响

为了使天线达到良好的阻抗匹配效果，产生较大的阻抗带宽，通过HFSS软件的优化分析功能来分析改变缝隙尺寸对天线性能的影响。

首先对缝隙长度L对天线回波损耗的影响进行分析，当分别取L=22mm、23mm、24mm时，S11的仿真结果如图3所示。可以看出随着缝隙长度L逐渐增加，天线的谐振频率发生变化，阻抗带宽则随着L值的增大而减小，且当L=23mm时，回波损耗S11最低，天线的阻抗匹配最好。

图3 S11 随L 的变化曲线

当缝隙宽度W=7.2mm、7.3mm、7.4mm时，天线的回波损耗仿真结果如图4所示。可以看出随着蝶形缝隙宽度W的增大，天线的谐振频率发生变化，且当W=7.3mm时，回波损耗S11最低，天线的阻抗匹配最好。

图4 S11 随W 的变化曲线

2.2 背腔厚度对天线性能的影响

背腔厚度h对天线性能的影响如图5所示，可以看出随着背腔厚度h逐渐增加，天线的谐振频率逐渐变低，阻抗带宽则随着h值的增大而减小，且当h=2mm时，回波损耗S11最低，天线的阻抗匹配最好。

图5 S11 随h 的变化曲线

3 天线测试

实际测试中将SMA接头焊接到天线馈电端，天线样机如图6所示。图7所示为设计天线的S11参数仿真结果与测试结果对比图。仿真结果表明该天线在频段11.00～14.12GHz内的S11参数小于-10dB，带宽为3.12GHz。测试结果显示：该背腔式缝隙天线的S11参数小于-10dB的频段为11.00～14.02GHz，带宽为3.02GHz，相对带宽为24.14%，谐振频率稍微右移且回波损耗减小。形成差别的主要原因可能是在背腔的制作过程中由于制作条件有限使背腔没有达到仿真时的理想条件，对基片的厚度及介电常数产生了影响，同时由于测试环境存在的误差导致测试得到的谐振频率与仿真的谐振频率出现不一致的现象，但测试结果与仿真结果基本吻合[3]。

图6 天线实物图

图7 天线测试图

用微波暗室测试了天线的辐射性能，将测试得到的13GHz下的E面和H面结果与仿真得到的数据进行比较，结果如图8所示，仿真结果表明该天线的最大辐射增益为8.44dB，测试结果显示该天线的最大辐射增益为8.07dB，由于受实验台和制造工艺的限制，实测的辐射方向图基本与仿真结果之间存在一定的一致性，实现了相对的高增益[4-5]。

图8 天线辐射方向图

4 结语

本文提出了一种适用于Ku波段的共面波导馈电的背腔式缝隙天线，通过HFSS的仿真和优化，讨论了缝隙宽度W、长度L和背腔厚度h对天线性能的影响，并对天线样机进行测试，仿真数据和测试结果表明，该天线带宽大于3GHz，增益大于8dB，具有良好的辐射增益和阻抗匹配性。该天线频带宽，高增益，易集成，加工成本低，在实际中有广泛的应用前景。