一种基于谐振腔多模辐射的双频带天线研究

霍兴瀛，李 铮

(1.六盘水师范学院计算机科学学院，553000，贵州，六盘水；2.北京交通大学电子信息工程学院，100044，北京)

0 引言

在无线通信系统中，天线是保障其中图像、声音、环境数据实时可靠传输的重要部分。基片集成波导凭借着低剖面、易集成，以及传输功率容量大、传输损耗小等诸多优点，已经得到了广泛的研究和应用，而双频带天线更是在无线通信领域有着重要研究价值[1-5]。

根据天线的辐射方向图模式，可以将天线分为侧射天线、全向天线和端射天线。对侧射天线研究较为广泛[6-8]，已经基于不同尺寸的辐射贴片提出了很多低剖面双频带天线，其中部分双频带天线还能同时实现圆极化[9]、低剖面[10]、小型化[11]、高隔离[12]、可重构[13]等特定辐射特性。在全向天线方面，文献[14]首次利用一组矩形贴片实现了双频带全向辐射天线，同时实现其圆极化特性。除此之外，文献[15-18]利用单个结构的多模式辐射实现了双频带天线的全向辐射。相比之下，对于端向辐射的双频带天线的研究却不多见，仅仅是提出了相关的概念[19]。本文设计了一种基于半模基片集成波导(SIW)的平面天线，通过设计辐射缝隙结构，产生2个辐射模式并使其同时谐振，实现基模的周向辐射与高次模的端向辐射。利用CST对天线结构进行仿真，该天线的S参数，辐射效率都满足天线设计要求，且天线剖面低、易集成、可延展性强，能够应用于无线通信系统；其中，工作在2.4 GHz的周向辐射天线适用于室内无线电波覆盖，而工作在5.8 GHz的端向辐射天线适用于狭窄的走廊或隧道空间的无线电波覆盖。

1 天线结构及原理

图1是本文所提出的双频带平面天线的结构示意图，其中图1(a)是俯视图，图1(b)是侧视图。

(a)俯视图 (b)侧视图

如图1所示，在介质表面覆有上下2层金属板，其面积为介质的一半，在金属板边缘设计单侧圆柱金属过孔，实现基于SIW的半模谐振腔结构，而半模谐振腔相当于磁偶极子，对其尺寸进行设计，使其基模在2.4 GHz产生辐射。在上下2层金属贴片上设计2组对称的交叉形缝隙，通过调节缝隙结构尺寸，实现高次模的有效辐射[20]，从而实现双频带辐射特性。该结构利用同轴探针进行馈电，馈电位置设计在贴片中心。

为了验证双频带天线的工作原理，设计半模谐振腔在2.4 GHz频段上利用基模辐射。利用金属过孔将上下2层金属贴片连接后，谐振腔剩余3个开放口面的电场分布如图2所示。跟一个口面开放的谐振腔相比，3个口面同时开放的结构具有更大的阻抗带宽。

图2 半模谐振腔开放口面电场分布

半模谐振腔的设计基于有损的F4B介质板，其介质常数为2.2，损耗角正切为0.000 7。因此，设计半模谐振腔的窄边尺寸W近似为2.4 GHz对应波长的1/4。为了后续设计方便，设计半模谐振腔的宽边尺寸L大于2.4 GHz对应波长的1/2。

2 天线仿真及分析

天线设计的交叉形缝隙由横向和纵向矩形缝隙组合而成，横纵向缝隙长和宽分别为(Lxt,Lyt)和(Lyv,Lxv)，两缝隙中心位置重叠，且缝隙边缘与金属贴片距离分别为Lx和Ly。金属过孔半径为d。通过优化设计，得到一组参数：L=89.1 mm，W=20.2 mm，Lxt=20.8 mm，Lyt=1.1 mm，Lyv=10 mm，Lxv=1 mm，Lx=12 mm，Ly=4.6 mm，d=1 mm，使得天线能够实现双频带辐射。

天线结构S参数仿真结果如图3所示。可以看出，天线可以工作在2.4 GHz和5.8 GHz 2个频段。

图3 天线S参数仿真结果

方向图如图4所示。不难看出，当天线工作在2.4 GHz时，天线在周向360°范围均产生辐射，且幅度较为均匀，最大增益2.2 dB；而当天线工作在5.8 GHz时，天线只在端向一侧产生辐射，方向性强，最大增益4.1 dB。

(a)频率为2.4 GHz (b)频率为5.8 GHz

3 结论

本文设计了一种双频带的平面天线，基于半模基片集成波导，设计了2组对称组合型交叉缝隙，使天线基模工作在2.4 GHz频段，产生周向均匀辐射，并利用高次模在5.8 GHz频段产生端向宽波束辐射。利用2组垂直极化波同时谐振，实现2个独立的辐射波束。由于天线是利用同轴探针馈电，因此存在带宽较窄的问题，在下一步的研究中将针对这一问题进行探索与改进。