60GHZ的e形槽形基片集成波导天线

李彦萩 电子科技大学 四川成都 610000

一、前言

30GHz向100GHz以上的毫米波的演化受到了工业界和学术界越来越多的关注。比如，无线通信网络(60GHz)，汽车雷达系统(79GHz)，被动毫米波成像(94GHz)和生物医学应用。然而，60GHz的电磁波易被空气中的氧气吸收，从而在空气中传播衰减大，只能短距离传输。为了减小传播损耗，研究高增益的60GHz天线越来越成为时代的热。

基片集成波导(SIW)是一种适用于解决矩形波导中出现的问题的技术，用于实现毫米波应用。SIW是一种类似波导的结构，由上下金属面以及连接上、下表层的两排金属孔组成，金属通孔与介质的上下金属表面形成能传播准TE模型的矩形结构腔体。由于其简单的设计，印刷电路板工艺(PCB)或其他平面加工技术被用于制造。SIW的主要优点是具有主动元器件、被动元器件和天线的平面集成。

由于缝隙天线地剖面、易于与平面电路集成以及更好的与馈电网络隔离，使得被广泛应用于无线通信系统中。一种简单的背衬腔缝隙天线也称为短端波导。

本文提出了一种用于57-64 GHz频率应用的基片集成波导背腔天线。

二、Siw设计

其中“s”表示两个孔之间的距离；“h”表示SIW的高度，“d”表示孔的直径。SIW受矩形波导的约束，a表示矩形波导宽度，b表示矩形波导长度。

由于基片集成波导衬底上有填充孔，且主导模式为TE10，没有横向磁场(TM)。所以截止频率是

为介质填充矩形波导的宽度。在这种情况下，SIW宽度取决于d，如式

保持金属通孔之间的无辐射损耗。它必须满足下面的方程

三、天线结构

图3所示的天线中心频率为60GHz，天线介质材料选择RT / Duriod 5880，材板厚度为0.381毫米，黄色代表对铜，白色代表介质衬底和通孔用铜通过介质衬底连接顶部和底部。用HFSS软件仿真。图3所示为E形背腔siw天线，尺寸 为 9.5*4*0.381mm，W1=0.3mm，L1=0.46mm，W2=2.6mm，L2=1.2mm，L3=7.5mm，L4=6.3mm，W4=2.94mm，d=0.3mm，S=0.42mm，L5=W5=L6=1mm，L7=0.8mm，W6=2.55mm。

图1：E形背腔siw天线

天线频带宽度是指天线的主要指标如增益、输入阻抗、极化特性等均满足设计要求时的频带范围。输入阻抗随频率变化。当天线输入端电压一定时，输入端电流就会随频率变化，由阻抗定义可知，天线输入阻抗也会随之变化，从而确定天线带宽。此外，工程上天线的阻抗带宽也可以用馈线上的电压驻波比来表示，以驻波比低于某一规定值时的频带宽度为天线的阻抗带宽。图1所示为具有55-65GHz频率范围的天线谐振频率(GHz)与反射系数(dB)，达到1.65GHz的阻抗带宽，在58.48GHz到61.88 GHz之间，谐振频率为60.13GHz。

图2：反射系数S11

图3：的三维增益图

天线的方向图用来描述天线辐射电磁场强度在空间的分布状况，一般是一个三维空间的

曲面立体图形，是与天线等距离处，天线辐射场大小在空间中的相对分布随方向变化的图形。

依据归一化方向函数而绘出的为归一化方向图。图3给出了天线在60GHz处的三维增益图，可以看出在60GHz处的增益为7.04 dBi，并观察到主瓣方向沿z方向。

四、结果

介绍了一种基于SIW谐振腔的e型槽形天线的设计。观察了反射系数、增益、VSWR和效率等结果，在- 10db参考线上达到1.65 GHz阻抗带宽，与VSWR(2：1)匹配。该天线在57-64 GHz频带内保持23.6%的带宽范围，谐振频率为60.13GHz。提出的60GHz天线的增益为7.04 dBi。