基于半模基片集成波导的双频段缝隙天线
小型化八边形基片集成波导背腔缝隙天线
小型化八边形基片集成波导背腔缝隙天线
刘阳;束锋;宋来鹏
【期刊名称】《太赫兹科学与电子信息学报》
【年(卷),期】2024(22)1
【摘要】提出一款新颖的W波段八边形基片集成波导(SIW)背腔缝隙天线。
相较传统的缝隙天线,具有体积小、易加工、Q值高、成本低等优点,且易于成阵。
通过调节天线背腔缝隙的长度、宽度,以及SIW腔体的尺寸优化天线的辐射特性,通过电磁仿真软件HFSS对模型进行仿真优化,确定了天线的最优结构。
仿真实验结果表明,所设计的天线相对带宽约4.5%,方向性优良,中心频率点谐振深度<-31 dB,天线最大增益达到5 dBi,满足设计要求,验证了设计的正确性。
所设计的SIW背腔缝隙天线拓宽了数字通信的可用频谱,是一种新的尝试,可为以后的研究提供新的参考思路。
【总页数】7页(P68-74)
【作者】刘阳;束锋;宋来鹏
【作者单位】南京理工大学电子工程与光电技术学院;海南大学信息与通信工程学院;华信咨询设计研究院有限公司信息通信设计研究院
【正文语种】中文
【中图分类】TN823
【相关文献】
1.基片集成波导背腔式缝隙天线设计
2.多频段背腔式半模基片集成波导弯折缝隙天线
3.加载四脊波导的基片集成波导圆极化背腔缝隙天线研究
4.双波束基片集成波导背腔缝隙天线设计
5.基于基片集成波导的宽带多模背腔缝隙天线
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第5章缝隙微带天线
aλ g
πx1
a
x1
r
θ
⎛ λg r = 0.523⎜ ⎜λ ⎝
⎞ λ2 2 πλ 2 πx1 ⎟ ⎟ ab cos ( 4a ) cos ( a ) ⎠
3
b
g
π λ ⎞ ⎛ sinθ cos( sinθ ) ⎟ 3⎜ λg λ ⎜ 2 λg ⎟ r = 0.131 3 ⎜ ⎟ λ ab 2 ⎟ ⎜ 1− ( sinθ ) λg ⎠ ⎝
v v 1 W /2 h − jk ( r − x 'sin θ cos ϕ + z 'cos θ ) F = −e z dx ' dz ' ∫−W / 2 ∫−h E0e 4πr
其中考虑了接地板引起的正镜像
1 sin( kW cos θ ) v E 0 h sin( kh sin θ cos ϕ ) v 2 F = −ez e − jkr πr kh sin θ cos ϕ k cos θ
5.2.1 矩形微带天线
x
z
L≈λg /2
o o
W
vm v v J s = −e n × E
y
v E
接地板 介质基片 辐射贴片
vm Js
ε
r
h
Ex = E0 cos( y / L) π
通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射
求解缝隙中等效面磁流密度的辐射场 z
vm v v v Js = −en × Ex = −E0ez
1 v v 2E0h sin(kh sinθ cosϕ ) sin(2 kW cosθ ) 1 E = eϕ j sinθ cos( kL sinθ sinϕ )e− jkr πr kh sinθ cosϕ cosθ 2
Ka波段基片集成波导罗特曼透镜多波束阵列天线
Ka波段基片集成波导罗特曼透镜多波束阵列天线Xue Fei;Lang Huaqing;Yang Lina【摘要】利用基片集成波导结构完成Ka波段罗特曼透镜仿真设计.在设计中基于罗特曼透镜原理与基片集成波导,利用Matlab在HFSS中得到罗特曼透镜轮廓及透镜的结构中旁壁形状,并对基片集成波导缝隙阵列天线进行设计比较,完成对15×32槽多波束阵列天线的设计,设计了一个单层基片集成波导-金属波导垂直转接的结构.最后, 将各个部分结合在一起, 完成中心频点为35 GHz基片集成波导罗特曼透镜多波束阵列天线设计,其带宽为600 MHz,增益为27. 1 dB,扫描角度为90°.【期刊名称】《航空兵器》【年(卷),期】2019(026)003【总页数】6页(P56-61)【关键词】基片集成波导;罗特曼透镜;缝隙天线;多波束阵列天线【作者】Xue Fei;Lang Huaqing;Yang Lina【作者单位】【正文语种】中文【中图分类】TJ765.3;TN8200 引言随着毫米波高频段系统的发展，平面化、集成化对传统天线的设计提出了更高要求，即需要开发出高性能、低成本的平面阵列天线。
基片集成波导结合了普通平面电路和金属波导的双重优点，能满足现代波束成型网络对性能、外形、重量、加工工艺、成本等诸多方面的要求[1-3]。
多波束天线形成有相控阵天线和透镜天线两种类型[4]。
透镜天线利用同一天线口径形成多个独立且相互重叠的窄波束,虽然其调零分辨率不及相控阵天线,但可以实现波束的最佳空域覆盖,而相控阵天线需要大量集成移相器、功分器或定向耦合器,实现起来非常复杂。
罗特曼透镜则能形成多个波束，覆盖很宽的角度范围、增益高，是经典波束形成网络之一。
现有的罗特曼透镜主要基于微带形式设计实现[5-8]，由于微带在高频损耗较大且设计较为复杂，因此本文将基片集成波导技术与罗特曼透镜结合，实现Ka波段基片集成波导罗特曼透镜多波束阵列天线。
一种新型的基于半模基片集成波导技术的Butler矩阵
一种新型的基于半模基片集成波导技术的Butler矩阵
陈鹏;洪伟;徐俊峰
【期刊名称】《微波学报》
【年(卷),期】2008(24)3
【摘要】提出并实现了一种新型的基于半模基片集成波导技术的Butler矩阵,实际制作的样品工作在X波段(10GHz),实测插入损耗为2dB,样品尺寸为24 cm×6.5 cm。
采用了标准的双面PCB工艺,该结构与传统的微带电路相比具有插入损耗低、功率容量大等特点,与基片集成波导相比具有面积小的优点,是一种适合于在微波毫
米波频段多波束天线使用的波束形成网络。
文中给出了具体设计过程和测试结果。
【总页数】5页(P5-9)
【关键词】半模基片集成波导;Butler矩阵;多波束天线
【作者】陈鹏;洪伟;徐俊峰
【作者单位】东南大学信息科学与工程学院毫米波国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TN929.5;TN814
【相关文献】
1.一种基于改进型 BC-CSRR 的半模基片集成波导滤波器 [J], 韦华;黄丽雯;察豪
2.一种低轮廓半模基片集成波导圆极化天线 [J], 张叶枫;朱永忠;刘明飞;芦鸿雁
3.新型半模基片集成波导漏波天线 [J], 庞维建;童创明;高建国;王童
4.基于半模基片集成波导的新型带通滤波器研究 [J], 蒋迪;徐跃杭;徐锐敏;林为干
5.新型半模基片集成波导镜像转接段的研究 [J], 刘冰;刘伟;徐暑晨;汤红军;洪伟因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基片集成波导缝隙稀疏阵天线的设计
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.。
圆形半模空气隙填充基片集成波导带通滤波器设计与实现
收稿日期:2020-12-06基金项目:陕西省重点研发计划(2020GY -040)通信作者:宋维勇,研究生,研究方向为通信专用集成电路设计㊂E-mail :songweiyong 1995@电子元件与材料Electronic Components and Materials第40卷Vol .40第11期No .1111月Nov2021年2021圆形半模空气隙填充基片集成波导带通滤波器设计与实现刘维红,宋维勇,穆㊀林(西安邮电大学电子工程学院,陕西西安㊀710121)摘㊀要:为了满足滤波器小型化㊁低插损的要求,基于圆形半模空气隙填充基片集成波导(HMSAFSIW )谐振腔结构,设计并实现了一款带通滤波器㊂通过加载金属通孔㊁径向槽线可以灵活调节滤波器中心频率㊂研究发现,在TM 010电场处加载金属通孔,谐振频率从8.2GHz 增加到9.7GHz ,当金属通孔直径从0.05mm 增加到0.2mm ,TM 010谐振频率从9.7GHz 增加到10GHz ㊂在TM 110电场中心处加载径向槽线,其谐振频率随着槽线长度的增加向低频移动,当槽线长度从3mm 增加到6mm ,TM 110谐振频率从12GHz 降到10.6GHz ㊂利用双面覆铜LCP 基板进行了滤波器的加工,并进行了实物测试㊂测试结果显示,滤波器的中心频率为9.4GHz ,带宽为1.3GHz ,插入损耗为-2.6dB ,回波损耗优于-18dB ,在12~15.6GHz 较宽的范围内,阻带带外抑制大于20dB ㊂关键词:滤波器;谐振腔;HMSAFSIW ;宽阻带中图分类号:TN 713+.5文献标识码:ADOI :10.14106/j .cnki .1001-2028.2021.1813引用格式:刘维红,宋维勇,穆林.圆形半模空气隙填充基片集成波导带通滤波器设计与实现[J ].电子元件与材料,2021,40(11):1140-1144.Reference format :LIU Weihong ,SONG Weiyong ,MU Lin.Design and implementation of circular HMSAFSIW bandpass filter [J ].Electronic Components and Materials ,2021,40(11):1140-1144.Design and implementation of circular HMSAFSIW bandpass filterLIU Weihong ,SONG Weiyong ,MU Lin(School of Electrical Engineering,Xi an University of Posts &Telecommunications,Xi an㊀710121,China)Abstract :To meet the requirement of miniaturization and low insertion loss for filter design ,a bandpass filter was proposed and implemented based on the resonant cavity structure of circular half mode slab air filled substrate integrated waveguide (HMSAFSIW ).The central frequency of the filter can be flexibly controlled by adjusting the position and diameter of the metallic via holes.The study shows that the resonant frequency of TM 010mode can be increased from 8.2GHz to 9.7GHz by adding metallic via holes ,which can be then increased from 9.7GHz to 10GHz as the diameter of the metallic via expandsfrom 0.05mm to 0.2mm.In addition ,radial slot perturbation was introduced to tune the central frequency of resonant cavity.The resonance frequency of TM 110mode decreases from 12GHz to 10.6GHz as the length of radial slot line increases from 3mm to 6mm.The filter was implemented by LCP process.The measured results show that the central frequency of the filter is 9.4GHz with bandwidth of 1.3GHz ,insertion loss of -2.6dB ,and return loss of better than -18dB.Moreover ,in the wide range of 12-15.6GHz ,the out -of -band rejection of the stopband is greater than 20dB.Key words :filter ;resonant cavity ;HMSAFSIW ;wide stopband刘维红,等:圆形半模空气隙填充基片集成波导带通滤波器设计与实现㊀㊀随着微波通信系统小型化㊁高性能需求的迅速发展,作为核心器件的微波滤波器如何减小体积和提高滤波器电学特性,日益成为工程技术人员关注的焦点之一㊂基片集成波导(SIW)滤波器具有低损耗㊁低成本㊁低剖面等优点[1],被广泛应用于微波滤波器的设计㊂为了进一步减小微波滤波器体积,2007年,洪伟等[2]首次提出半模基片集成波导(HMSIW)结构,并设计制作了HMSIW滤波器,使得滤波器尺寸在原有的基础上减小了50%;2017年,李明康等[3]对多模基片集成波导进行了研究,在不增加尺寸的情况下设计了多款小型化多模带通滤波器;2018年,Nguyen等[4]提出了空气隙填充基片集成波导(Slab Air Filled Substrate Integrated Waveguide,SAFSIW)结构,该结构在波导内部引入了空气介质,相较于传统SIW结构降低了电磁波的传输损耗;2020年,Nguyen等[5]基于对SAFSIW的研究,设计了一款低损耗三阶带通滤波器㊂本文基于半模空气隙填充基片集成波导(Half Mode Slab Air Filled Substrate Integrated Waveguide, HMSAFSIW)结构优异的传输特性,利用一腔多模理论[6-7],通过加载金属化通孔以及径向槽实现对本征模谐振点的调节㊂通过引入空气隙,降低了谐振腔内部的损耗,在不增加尺寸的情况下设计了一款损耗较低的二阶宽阻带带通滤波器[8],并进行了实物制作和测试㊂1 圆形HMSAFSIW结构的设计与分析本设计使用的基板材料为日本松下公司的双面覆铜LCP柔性基板(R-F705S42EC-M),板材相对介电常数为 2.9,损耗角正切tanδ=0.0025㊂圆形HMSAFSIW谐振腔的结构如图1所示,该谐振腔是一个半圆形结构,由一个圆形SIW对称切割而来,谐振腔中芯板厚度为0.1mm,金属化通孔沿半圆的圆周分布,上下两面由厚度为0.018mm的铜箔覆盖,实现电磁波的屏蔽㊂圆形HMSAFSIW谐振腔结构主要特点是在谐振腔介质层引入了空气介质,空气介质的引入减小了高频下的介电损耗,提高了谐振腔的Q值[9],为实现低损耗高性能的滤波器设计奠定了基础㊂圆形HMSAFSIW谐振腔的基模为TM模,基模谐振频率和腔体尺寸的关系式如公式(1)所示㊂利用公式(1)可以确定谐振腔尺寸大小,通过分析谐振腔内电场分布情况,可以对腔内多个谐振模式进行调节,进而设计出满足要求的带通滤波器结构㊂f TM=2.4052πaμε(1)式中:a为圆形谐振腔半径;μ为磁导率;ε为介电常数㊂图1㊀圆形HMSAFSIW谐振腔结构图Fig.1㊀Schematic of the circular HMSAFSIW cavity利用高频仿真软件HFSS对谐振腔进行本征模求解,根据表面电场分布,可以观察到不同的谐振模式[10]㊂谐振腔前三个谐振模式电场分布如图2所示㊂图2(a)表示谐振腔的TM010模,其谐振频率为8.2 GHz,电场在切割线中心处最强;图2(b)为TM110模,谐振频率为13.2GHz,其电场强度在谐振腔中心处最强;图2(c)为TM210模,谐振频率为17.5GHz㊂图2㊀圆形HMSIW谐振腔中前三个谐振模式的电场Fig.2㊀Simulated E-fields of the first three resonantmodes in the circular HMSIW cavity基于以上分析,本文将利用一腔多模理论设计一款二阶带通滤波器[11]㊂通过调节谐振腔内基模TM010和高次模TM110的谐振频率,进行二阶带通滤波器的设计㊂空气介质在谐振腔内的位置以及体积大小对谐振腔电磁特性影响较大,在设计圆形HMSAFSIW谐振腔时,需尽量减小空气介质对通带主模TM010和TM110的㊃1411㊃电子元件与材料影响㊂因此,空气介质主要放在TM 210模电场最强处,以减小电磁波在谐振腔内的损耗㊂图3表示空气介质在谐振腔内的位置分布图㊂图3㊀圆形HMSAFSIW 谐振腔空气介质分布图Fig .3㊀Distribution of air in the circular HMSAFSIW cavity2㊀滤波器的设计与分析2.1㊀滤波器馈电结构设计微带线直接对谐振腔进行馈电,由于阻抗失配会引起较大的反射损耗,因此需要对微带电路和谐振腔进行过渡匹配的设计㊂传统SIW 到微带的过渡结构设计中,渐变型微带结构是较为常用的方法[12],但是这种方法一般会增加滤波器的尺寸,为了减小过渡结构尺寸,本文参考渐变型微带结构,通过在谐振腔上表面导体内引入两条呈喇叭状的槽线(如图4所示),实现了谐振腔和外部微带电路的低损耗小型化过渡匹配[13]㊂图4㊀滤波器馈电端口结构图Fig .4㊀Structure of filter with two feed ports2.2㊀滤波器通带的设计与分析本文利用一腔多模理论进行滤波器通带的设计,分别对基模TM 010和二次模TM 110随金属通孔以及槽线结构尺寸的变化规律进行详细分析㊂图2(a )表示圆形HMSIW 的基模电场图,其谐振频率为8.2GHz ,当在TM 010电场中心处引入两个金属通孔后[14],TM 010谐振频率增加到9.7GHz ,金属通孔对谐振频率有较大影响㊂图5所示为S 21曲线中TM 010谐振频率随金属通孔直径d 的变化趋势图,随着金属通孔的孔径增加,TM 010谐振频率向高频移动,当d 从0.05mm 增加到0.2mm 时,其谐振频率从9.7GHz 增加到10GHz㊂图5㊀TM 010随金属通孔变化趋势图Fig .5㊀Simulated TM 010resonance frequency with differentdiameters of the via holes图2(b )为圆形HMSIW 的TM 110电场图,当没有槽线情况下,TM 110谐振点为13.2GHz ㊂如果在电场最强处加载径向槽[15],TM 110谐振点将随径向槽线的长度(L )的增加而向低频移动㊂图6所示为S 21曲线中TM 110随槽线长度变化趋势图,当L 从3mm 增加到6mm 时,TM 110谐振频率从12GHz 降低到10.6GHz㊂图6㊀TM 110随槽线长度变化趋势图Fig .6㊀Simulated TM 110resonant frequency withdifferent lengths of the slot line空气介质为低损耗介质,通过在LCP [16]介质层引入空气介质,可以减小滤波器的插入损耗㊂在TM 210电场处引入弧形空气介质隙,并通过改变空气介质隙的㊃2411㊃刘维红,等:圆形半模空气隙填充基片集成波导带通滤波器设计与实现数量对插入损耗进行了分析㊂图7表示引入空气介质后,滤波器中心频率处S 21参数与空气隙数量N (N =1,2,3)的变化关系㊂由图7可知,当空气隙在介质中占比越来越高,其插入损耗会明显降低㊂图7㊀通带插入损耗随空气隙数量变化关系图Fig .7㊀S 21of SAFSIW filter with different number of airgaps filled in the SAFSIW cavity3 滤波器加工与测试综合上述分析,使用金属通孔和径向槽可以方便地调节TM 010和TM 110的谐振频率,进而实现一个宽阻带二阶带通滤波器㊂同时,通过在TM 210处引入空气介质,可以减小滤波器插入损耗,优化滤波器的性能㊂在电磁仿真软件HFSS 中对滤波器尺寸进行优化仿真,最终圆形HMSAFSIW 带通滤波器的结构如图8所示㊂图8㊀圆形HMSAFSIW 带通滤波器结构图Fig .8㊀Structure of circular HMSAFSIW bandpass filter设计得到的圆形HMSAFSIW 带通滤波器的仿真S 参数如图9所示,滤波器的中心频率为11GHz ,3dB 带宽为1GHz ,带内最小插入损耗为-1.6dB ,回波损耗均大于-22dB ;低阻带衰减在6GHz 时达到-45dB 以下,高阻带衰减在15GHz 时达到-21dB 以下,上边带阻带带宽达到6GHz ㊂为测试滤波器性能,对滤波器进行实物加工和测试,如图10所示㊂如图10(a ),HMSAFSIW 谐振腔空气介质部分通过使用双面导电铜胶带对其进行覆盖,防止电磁波的泄露,图10(b )为实物测试图㊂图9㊀圆形HMSAFSIW 带通滤波器的仿真S 参数Fig .9㊀Simulated S -parameters of circular HMSAFSIWbandpassfilter图10㊀滤波器加工及测试图Fig .10㊀Photograph of fabricated and tested filter图11为圆形HMSAFSIW 带通滤波器实物测试的S 参数㊂测试结果显示,滤波器中心频率为9.4GHz ,插入损耗为-2.6dB ,回波损耗优于-18dB ,3dB 带宽为1.3GHz ,上边带阻带带宽为7GHz ,相比仿真结果,滤波器发生了1.6GHz 的频偏㊂由图10(a )可知,在滤波器加工过程中,滤波器空气介质㊃3411㊃电子元件与材料部分的屏蔽是利用导电铜箔胶带实现,因此很难保证导电铜箔胶带和滤波器表面铜箔的紧密连接,连接处缝隙的存在破坏了谐振腔上下两面铜箔的完整性,同时,由于滤波器工作频段较高,因此产生了较大的频偏和损耗㊂图11㊀圆形HMSAFSIW 带通滤波器的实测S 参数Fig .11㊀Measured S -parameters of the circular HMSAFSIWbandpass filter4 结论本文基于圆形HMSAFSIW 谐振腔结构,利用一腔多模理论设计并实现了一款损耗较小的宽阻带带通滤波器㊂对圆形HMSAFSIW 谐振腔上加载的金属通孔直径大小㊁径向槽线长度对圆形HMSAFSIW 谐振腔中TM 010和TM 110谐振频率的影响规律进行了研究㊂结果表明,在TM 010电场处加载金属通孔后,谐振频率从8.2GHz 增加到9.7GHz ,随着金属通孔直径从0.05mm 增加到0.2mm ,TM 010谐振频率从9.7GHz 增加到10GHz ;在TM 110电场中心处加载径向槽线,TM 110谐振频率随着槽线的增加向低频移动,当槽线长度从3mm 增加到6mm ,TM 110谐振频率从12GHz 降低到10.6GHz ㊂同时,空气介质的引入大大改善了滤波器微波传输特性㊂该滤波器结构紧凑,带外抑制较好,可以被应用于X 波段通信系统㊂参考文献:[1]刘炜.基于基片集成波导的宽带带通滤波和Fabry -Perot 谐振天线研究[D ].合肥:中国科学技术大学,2014.[2]Wang Y ,Hong W ,Dong Y ,et al.Halfmode substrate integratedwaveguide (HMSIW )bandpass filter [J ].IEEE Microwave and Wireless Components Letters ,2007,17(4):265-267.[3]李明康.小型化多模基片集成波导(SIW )滤波器研究[D ].合肥:中国科学技术大学,2017.[4]Nguyen N H ,Ghiotto A ,Vuong T P ,et al.Slab air -filled substrateintegrated waveguide [C ]//2018IEEE /MTT -S International Microwave Symposium -IMS.NY ,USA :IEEE ,2018:312-315.[5]Nguyen N H ,Ghiotto A ,Vuong T P ,et al.Dielectricslab air -filledsubstrate integrated waveguide (SAFSIW )bandpass filters [J ].IEEE Microwave and Wireless Components Letters ,2020,30(4):363-366.[6]史晓瑞.微波多模滤波器研究与设计[D ].西安:西安电子科技大学,2019.[7]杨增.基于基片集成波导的多模多频带滤波器的设计与研究[D ].杭州:杭州电子科技大学,2019.[8]关雪芹,刘太君,赵辉,等.宽阻带SIW 滤波器设计[J ].无线通信技术,2020,29(1):21-25.[9]Ghiotto A ,Parment F ,Martin T ,et al.Air -filled substrateintegrated waveguide A flexible and low loss technological platform [C ]//201713th International Conference on 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第３７卷第１期
２０１４年２月
电子器件
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ
Ｖ０１．３７ Ｎｏ．１
Ｆｅｂ．２０１４
Ａ Ｄｕａｌ－Ｂａｎｄ Ｓｌｏｔ Ａｎｔｅｎｎａ Ｂａｓｅｄ‘ｏｎ Ｈａｌｆ－Ｍｏｄｅ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ
ＴＡＮ Ｌｉｒｏｎｇ ’ ，ＮＩ Ｙｉｎｇ ，ＺＨＡＮＧ Ｚｈａｏｆｅｎｇ ， Ｒｕｉｘｉｎ。
（１．Ｎａ ｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００４６，Ｃｈｉｎａ；２．Ｎａ ｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＩｎｄｕｓｔｒｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００２３，Ｃｈｉｎａ；
３．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｈａｌｆ－Ｍｏｄｅ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ（ＨＭＳＩＷ）ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｗｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａ ｎｅｗ ｄｕａｌ ｂａｎｄ
ｓｌｏｔ ａｎｔｅｎｎａ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ．Ｔｈｅ ｎｅｗ ａｎｔｅｎｎａ ｉｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ ｆｅｅｄ ｌｉｎｅ，ａ
ｈａｌｆ ｃｏｐｌａｎａｒ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｎｄ ａ ｈａｆｔ－ｍｏｄｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｃａｖｉｔｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈ
ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｓｌｏｔｓ．Ｉｔ ｕｓｅｓ ｔｈｅ ｍｕｈｉｍｏｄｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｈａｌｆ－ｍｏｄｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｃａｖｉｔｙ ｔｏ
ｒｅａｌｉｚｅ ｍｕｈｉｂａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｎｔｅｎｎａ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｎｔｅｎｎａ ｃａｎ ｗｏｒｋ ｉｎ ｂｏｔｈ Ｃ
ｂａｎｄ（Ｓ１１＝一２１．８６ ｄＢ ａｔ ｔｈｅ ｒｅｓｏｎａｎｔ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ５．７４ ＧＨｚ）ａｎｄ Ｘ ｂａｎｄ（Ｓｌ１＝一２５．０９ ｄＢ ａｔ ｔｈｅ ｒｅｓｏｎａｎｔ￣ｅｑｕｅｎｃｙ
１ １．３３ ＧＨｚ），ｉｔ ｄｏｅｓ ｎｏｔ ｎｅｅｄ ｔｏ ｕｓｅ ｂｏｔｈ ｔｗｏ ａｎｔｅｎｎａｅ ｆｏｒ Ｃ ｂａｎｄ ａｎｄ Ｘ ｂａｎｄ，ｈａｖｉｎｇ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｅａｓｙ ｔｏ ｂｅ
ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｐｌａｎａｒ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｓｍａｌｌ ｖｏｌｕｍｅ，ｓｉｍｐｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｎｄ ｌｏｗ ｃｏｓｔ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｕａｌ—ｂａｎｄ ａｎｔｅｎｎａ；Ｈａｌｆ－Ｍｏｄｅ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ（ＨＭＳＩＷ）；ｒｅｓｏｎａｎｔ ｃａｖｉｔｙ；ｓｌｏｔ ａｎｔｅｎｎａ
ＥＥＡＣＣ：５２７０ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５—９４９０．２０１４．０１．００２
基于半模基片集成波导的双频段缝隙天线
谭立容 ， ，倪 瑛 ，张照锋 ，伍瑞新。
（１．南京信息职业技术学院，南京２１００４６；２．南京工业职业技术学院，南京２１００２３；
３．南京大学电子科学与工程学院，南京２１００９３）
摘 要：基于半模基片集成波导技术，提出了一种适用于微波集成电路的双频段缝隙天线。该双频段天线由馈电微带线，一
段半共面波导结构和具有辐射缝隙的半模基片集成波导谐振腔构成，利用半模基片集成波导谐振腔的多模式工作特性实现
了天线多频段特性。仿真和测试结果表明，该天线能同时工作在Ｃ频段（谐振频率５．７４ ＧＨｚ，Ｓ。 ＝－２１．８６ ｄＢ）和ｘ频段（谐
振频率１１．３３ ＧＨｚ，Ｓ ：一２５．０９ ｄＢ），不需要同时采用两个天线，具有便于和平面电路集成、体积小、结构简单、成本低等优点。
关键词：双频段天线；半模基片集成波导；谐振腔；缝隙天线
中图分类号：ＴＮ８２１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００５－９４９０（２０１４）０１－０００５－０４
近年来随着无线通信系统的广泛使用，无线通
信系统中常常呈现多种工作频段共存的局面。采用
多个独立天线来实现对多标准多系统兼容的方法已
经显得不实用，它会导致系统空间和材料的浪费。
在既要双频段工作又要满足降低整体成本、减轻重 量、减小雷达散射截面等的要求下，人们对双频段天 线的研究也越来越关注。 目前，双频段天线的研究很多，常见的双频段天 线可分为以下几种类型：双频段微带缝隙天线 Ｊ、双 频段圆锥喇叭天线 Ｊ、双频段单极子天线 Ｊ、双频 段平面倒置Ｆ型（ＰＩＦＡ）天线 Ｊ、双频段螺旋天线 、 双频段贴片天线 等等。它们工作的双频段常见以 下几种类型：ＶＨＦ／ＵＨＦ双频段，ＷＬＡＮ的２．４ ＧＨｚ／ ５．２ ＧＨｚ／５．８ ＧＨｚ多频段，射频识别（ＲＦＩＤ）２．４５ ＧＨｚ
和５．８０ ＧＨｚ双频段，ＷｉＭＡＸ２．５ ＧＨｚ／３．５ ＧＨｚ／５．８
ＧＨｚ多频段，Ｃ／Ｋｕ双频段，ＧＳＭ９００ ＭＨｚ／ＤＣＳ１８００
ＭＨｚ移动通信双频段，用于卫星地面测控站的Ｃ／Ｌ
双频段，跟踪载人飞船的Ｋｕ／Ｓ双频段，用于遥测跟
项目来源：２０１２年南京信息职业技术学院科研基金重点项目（ＹＫＪ１２—００１）；江苏智能传感器网络工程技术研究开发中心开放基
金项目（ＺＫ１２—０４—０７）；国家自然科学基金项目（６１０７１００７）
收稿１５ｔ期：２０１３—０８－１２ 修改日期：２０１３—０９—１８