基片集成波導(dǎo)背腔天線新技術(shù)與應(yīng)用

鄭庚琪

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710121)

天線是現(xiàn)代通信系統(tǒng)不可或缺的部分。背腔加載式的天線具有寬帶、高增益、單向輻射以及穩(wěn)定方向圖的特性，被廣泛應(yīng)用于5G通信、探地雷達(dá)和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域[1-2]。

常規(guī)的金屬背腔天線由饋電部分和金屬腔體構(gòu)成[3-5]，通常體積較大，不適用于某些要求采用小體積的系統(tǒng)中。而基片集成波導(dǎo)(substrate integrated waveguide,SIW)技術(shù)的出現(xiàn)，較好地減小了背腔天線的體積，SIW天線具有外形小巧、重量輕等特點(diǎn)。SIW天線保留了傳統(tǒng)金屬波導(dǎo)高Q值、高選擇性，擁有截止頻率和高功率容量等優(yōu)點(diǎn)。除此之外，它還具有容易與平面或曲面共形、與平面電路集成等優(yōu)點(diǎn)。

SIW背腔天線通常包括SIW背腔貼片天線和SIW背腔縫隙天線兩種類型。這兩種低剖面腔體形式的天線不僅可以通過(guò)諸如微帶線、共面波導(dǎo)(coplanar waveguide，CPW)和接地共面波導(dǎo)(ground coplanar waveguide，GCPW)等方式實(shí)現(xiàn)平面?zhèn)鬏斁€饋電，而且還可以由探針和波導(dǎo)等方式實(shí)現(xiàn)非平面?zhèn)鬏斁€饋電。以此為基礎(chǔ)，研究者們對(duì)SIW背腔式天線進(jìn)行了不同方面的研究。

本文分為5個(gè)部分。第1部分介紹SIW的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理。第2部分重點(diǎn)介紹當(dāng)前最新應(yīng)用SIW技術(shù)的寬帶背腔天線。第3部分對(duì)波束掃描SIW背腔天線的新進(jìn)展進(jìn)行介紹與總結(jié)。第4部分分析了當(dāng)前雙極化SIW背腔天線的新技術(shù)以及存在的問(wèn)題。第5部分結(jié)合SIW背腔天線的發(fā)展趨勢(shì)，分析當(dāng)前SIW背腔天線設(shè)計(jì)中需要解決的問(wèn)題，對(duì)SIW背腔天線研究進(jìn)行了總結(jié)與展望。

1 基片集成波導(dǎo)技術(shù)

SIW天線具有類似于經(jīng)典矩形波導(dǎo)的傳播特性，保留了傳統(tǒng)金屬波導(dǎo)的大多數(shù)優(yōu)點(diǎn)，如具有高品質(zhì)因數(shù)和高功率處理能力。SIW的制造利用印刷電路板(printed circuit board，PCB)加工工藝，不但能夠節(jié)省大量加工成本，還能夠減少?gòu)?fù)雜繁瑣的調(diào)試過(guò)程。不僅如此，SIW技術(shù)的優(yōu)勢(shì)還在于可以將所有組件集成在同一基板上，包括無(wú)源組件、有源元件和天線，無(wú)需再設(shè)計(jì)元件之間的過(guò)渡裝置，從而減少了損耗和寄生效應(yīng)[6]。

基片集成波導(dǎo)與金屬波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)相似，通過(guò)嵌入在電介質(zhì)基板中兩行金屬化過(guò)孔或插槽實(shí)現(xiàn)。該電介質(zhì)基板和導(dǎo)電圓柱連接兩個(gè)平行的金屬板。SIW結(jié)構(gòu)的傳播特性雖然與矩形金屬波導(dǎo)相似，但前提是金屬化過(guò)孔之間的間距必須滿足一定條件，這樣電磁場(chǎng)才能被限制在SIW結(jié)構(gòu)中，抑制表面波的傳播，大大減少電介質(zhì)的損耗，并且可以忽略輻射泄漏。

SIW金屬化過(guò)孔直徑以及孔間間距需要滿足的條件[7]可以表示為

dvia<0.2λ，

dvia

其中：dvia表示金屬化過(guò)孔直徑；λ表示電磁波長(zhǎng)；Lvsp表示相鄰金屬化過(guò)孔之間的距離。

滿足條件的金屬通孔使得相鄰?fù)组g隙泄露的能量忽略不計(jì)，從而導(dǎo)致SIW封閉結(jié)構(gòu)的傳播特性與常見(jiàn)的金屬波導(dǎo)的傳播特性相似。

SIW傳輸模式與矩形波導(dǎo)的傳輸模式類似。金屬化過(guò)孔之間存在間隙，橫向磁場(chǎng)決定了側(cè)向表面的電流無(wú)法在SIW內(nèi)部?jī)?chǔ)存橫磁(transverse magnetic，TM)模式的電磁波[8]，致使SIW不支持TM模式。

SIW和矩形波導(dǎo)在尺寸設(shè)計(jì)上具有相似性，可以借助經(jīng)驗(yàn)公式，利用矩形波導(dǎo)的有效寬度weff計(jì)算SIW的幾何尺寸。使用經(jīng)驗(yàn)公式可以不借助全波分析工具，簡(jiǎn)化SIW器件的初步尺寸設(shè)計(jì)。目前應(yīng)用比較廣泛的經(jīng)驗(yàn)公式[9-10]可以表示為

(1)

其中：d表示金屬化過(guò)孔的直徑；w表示金屬化過(guò)孔之間的橫向間距；s表示金屬化過(guò)孔之間的縱向間距。

2 寬帶SIW背腔天線

SIW結(jié)構(gòu)屬于低剖面的結(jié)構(gòu)，天然地存在帶寬較窄的缺點(diǎn)。為了適應(yīng)于實(shí)際應(yīng)用，需要研究SIW背腔天線的帶寬增強(qiáng)方法[11]。使用縫隙和短路通孔激發(fā)額外的諧振模式，是一種增加天線帶寬的常用方法。文獻(xiàn)[12]中設(shè)計(jì)了兩種類型的寬帶SIW背腔縫隙天線。使用一個(gè)十字形縫隙和不對(duì)稱的短路通孔實(shí)現(xiàn)了四諧振SIW背腔縫隙天線，并采用相同原理做了五模諧振天線。其設(shè)計(jì)思路可以作如下表述。

首先，利用十字縫隙和長(zhǎng)邊附近對(duì)稱的兩個(gè)短路通孔實(shí)現(xiàn)三模諧振天線。其次，利用不同短路通孔設(shè)計(jì)一個(gè)四模SIW背腔縫隙天線。所設(shè)計(jì)的四模SIW背腔縫隙天線可以看作是兩個(gè)短路通孔加載位置不同、腔尺寸不同的半模SIW背腔縫隙天線的組合，通過(guò)向下調(diào)制原始三模諧振天線的第一諧振模式，向上調(diào)制第二和第三模式，然后將附加的半TE120模式插入到三模諧振天線的半TE110模式和TE210模式之間。通過(guò)增加不平衡短路通孔增加諧振模式，設(shè)計(jì)的四模諧振天線比原先的三模諧振天線增加了約5%的帶寬，帶寬達(dá)到20%以上。

應(yīng)用此方法，可以再繼續(xù)增加腔的諧振模式，如在上述SIW腔體的基礎(chǔ)上，通過(guò)使用兩對(duì)不平衡的短路通孔以及十字形縫隙可以激發(fā)5種諧振模式。文獻(xiàn)[13]應(yīng)用金屬化過(guò)孔加載的方法增加諧振模式，給矩形SIW背腔加載啞鈴型縫隙用于輻射，通過(guò)在縫隙上方加載了一個(gè)金屬化通孔以獲得雙諧振特性。加通孔后增加了諧振模式，帶寬達(dá)到了60%。

除了利用金屬通孔增加諧振模式，還可以通過(guò)刻蝕不同形狀的縫隙增加諧振模式，從而達(dá)到改善帶寬性能的目的。在文獻(xiàn)[14]中，天線使用4個(gè)不同尺寸的V形縫隙進(jìn)行4通帶輻射。其采用1/4模腔，設(shè)計(jì)的天線電尺寸小且增益高。對(duì)于相同的諧振頻率，它的尺寸僅為標(biāo)準(zhǔn)矩形SIW腔的1/4。觀測(cè)V形縫隙的縱向電場(chǎng)，可以發(fā)現(xiàn)1/4模腔的TE10模在z方向電場(chǎng)激發(fā)了縫隙上的奇模，而縫隙寬度的增加，也增強(qiáng)了輻射效率。調(diào)整4條縫隙的尺寸，讓4個(gè)諧振模式接近，即可獲得寬頻帶特性。

文獻(xiàn)[15]通過(guò)調(diào)整啞鈴型縫隙和給啞鈴型縫隙結(jié)構(gòu)增加枝節(jié)等方式，實(shí)現(xiàn)了寬帶性能。這種改進(jìn)型的啞鈴形縫隙通過(guò)枝節(jié)引入了幾個(gè)新的諧振點(diǎn)，由GCPW饋電激發(fā)腔內(nèi)部的高階諧振模式TE102、TE301和TE302，通過(guò)使高階模式彼此接近以獲得高帶寬性能。通過(guò)分析電場(chǎng)可以發(fā)現(xiàn)，第一諧振和第二諧振的模式分別為偶TE301模式和奇TE301模式，其電場(chǎng)矢量分布相對(duì)于縫隙分別為偶對(duì)稱和奇對(duì)稱；在第四諧振頻率處的輻射主要由饋電結(jié)構(gòu)的傾斜縫隙產(chǎn)生，而第三和第五諧振頻率被混合模式所激發(fā)。最終5個(gè)諧振模式共同實(shí)現(xiàn)帶寬為26.7%。在文獻(xiàn)[16]中，縫隙耦合饋電結(jié)構(gòu)激發(fā)了4個(gè)逐漸加寬的SIW腔，實(shí)現(xiàn)了天線30%以上的阻抗帶寬。

由于寬帶基片集成波導(dǎo)背腔天線具有寬頻帶和低剖面的優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于平面結(jié)構(gòu)的無(wú)線設(shè)備中。相比于傳統(tǒng)的金屬寬帶背腔天線，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化?，F(xiàn)有的展寬集成波導(dǎo)背腔天線帶寬的方法是在背腔表面刻蝕縫隙或加載通孔，通過(guò)增加諧振頻率點(diǎn)的方式展寬工作頻帶。然而這些增加帶寬的方法在展寬帶寬的同時(shí)，會(huì)在不同程度上影響背腔天線原有的方向圖。所以，如何在不影響背腔天線其它性能的基礎(chǔ)上，拓展天線工作頻帶，是基片集成波導(dǎo)背腔天線亟需解決的問(wèn)題。

3 波束掃描SIW背腔天線

SIW結(jié)構(gòu)可以被應(yīng)用于相控陣或者波束掃描陣列，是因?yàn)槠湟环矫胬^承了傳統(tǒng)矩形金屬波導(dǎo)縫隙天線的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了傳統(tǒng)矩形金屬波導(dǎo)不能將陣列天線和微波電路集成的缺點(diǎn)。而且SIW可以利用傳統(tǒng)的PCB加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)成本和生產(chǎn)成本比較低廉，適合高頻微波波束控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[17]。隨著衛(wèi)星通信、導(dǎo)航、雷達(dá)抗干擾等技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)波束掃描天線和波束可重構(gòu)天線提出了更高的要求。

可以通過(guò)給SIW腔體加載集總元件實(shí)現(xiàn)SIW背腔實(shí)現(xiàn)波束掃描與重構(gòu)。在文獻(xiàn)[18]中，通過(guò)給矩形SIW腔體加載3個(gè)橫向縫隙實(shí)現(xiàn)輻射，應(yīng)用4對(duì)后加載的變?nèi)荻O管以控制波束掃描角。加載在SIW中的二極管或變?nèi)荻O管會(huì)引入相移，擾動(dòng)SIW腔中的場(chǎng)分布。在SIW底部金屬表面的柱子周圍刻蝕隔離縫，以實(shí)現(xiàn)直流隔離和二極管的獨(dú)立控制。通過(guò)加載不同的偏置電壓獲得不同的電容，從而實(shí)現(xiàn)波束掃描。將其中兩對(duì)變?nèi)荻O管置于腔體縱向中心線附近，這兩對(duì)變?nèi)荻O管的側(cè)面是相鄰的縫隙。將另外兩對(duì)變?nèi)荻O管對(duì)稱地嵌入在雙邊縫隙的兩端。以此獨(dú)立地控制施加到每對(duì)變?nèi)荻O管的偏置電壓，精確控制每個(gè)輻射單元的幅度和相位。文獻(xiàn)[19]同樣通過(guò)在矩形SIW腔體上刻蝕縫隙，在縫隙附近加載集總元件實(shí)現(xiàn)波束掃描。文獻(xiàn)[19]設(shè)計(jì)的天線形式為三單元背腔縫隙天線陣列，通過(guò)使用更寬的縫隙和特定的可調(diào)負(fù)載，分別獲得8%的阻抗帶寬和4%的相對(duì)帶寬(fractional bandwidth,FBW)的擴(kuò)展。由于負(fù)載阻抗調(diào)諧范圍有限，單純應(yīng)用變?nèi)荻O管可能發(fā)生嚴(yán)重的波束傾斜問(wèn)題。使用固定電感器、變?nèi)荻O管和延遲線組合的負(fù)載可以提供更大的阻抗調(diào)整范圍。與傳統(tǒng)相控陣相比，文獻(xiàn)[19]中的天線移相器的數(shù)量減少了66%。

除了利用加載集總元件的方式實(shí)現(xiàn)波束掃描，利用SIW諧振腔本身的特性也可以獲得波束掃描的功能。如利用TE220高階模的高增益特性設(shè)計(jì)的小型化寬帶漏波天線[20]。在SIW腔的表面上蝕刻出2×2的縫隙陣列，形成縫隙輻射體?？v向相鄰的輻射縫隙以半波導(dǎo)波長(zhǎng)相間隔構(gòu)成180°的相位差，并沿中心線交替放置，以引入另一個(gè)180°的相位差，最終獲得了邊射特性。利用新型表面等離激元(surface plasma polaritons,SPP)作為慢波傳輸線給天線饋電。與微帶線相比，由SPP饋電的相鄰輻射單元可以獲得更大的相位差，從而增加了四單元周期陣列天線的波束掃描范圍。最終縫隙陣列的掃描角范圍達(dá)到了-24°～+32°。高階模天線結(jié)構(gòu)更緊湊，增益較高，天線陣列的饋電網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單，便于加工。文獻(xiàn)[21]提出了一種寬波束掃描的SIW背腔縫隙天線設(shè)計(jì)方案。在金屬基板上蝕刻的寬縫不僅作為輻射元件，而且還是饋電網(wǎng)絡(luò)的一部分，這使得整個(gè)結(jié)構(gòu)非常緊湊。單個(gè)元件的輻射能量來(lái)自寬?cǎi)詈峡p隙，可以通過(guò)采用漸縮寬度來(lái)獲得理想的帶寬。為了確保能量有效地耦合到下一個(gè)腔體中，同一腔體中輸出窗口的寬度應(yīng)該比輸入窗口的寬。相鄰的輻射寬縫隙中心之間的距離約為自由空間波長(zhǎng)的一半。這種結(jié)構(gòu)在縮短整體腔體尺寸的同時(shí)，使得行波仍能保持在腔體中。此設(shè)計(jì)最終在E面的掃描角范圍達(dá)到了12°～62°。

傳統(tǒng)寬角域掃描天線采用多天線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。負(fù)載平臺(tái)可以承載的天線數(shù)量有限，而且隨著天線數(shù)量的增加，電磁干擾也會(huì)影響天線的性能。波束掃描基片集成波導(dǎo)背腔天線，可以在保持電尺寸不變的前提下，增加天線的波束掃描范圍。近年來(lái)利用可編程超表面進(jìn)行天線設(shè)計(jì)，被越來(lái)越多的用在了可重構(gòu)天線方面。如何利用可編程超表面設(shè)計(jì)集成波導(dǎo)背腔天線，更好地控制天線波束掃描的范圍，是波束掃描基片集成波導(dǎo)背腔天線未來(lái)的研究方向之一。

4 雙極化SIW背腔天線

SIW雙極化天線，除了與微帶天線一樣易于集成外，還具有低損耗、低剖面、不易被干擾等優(yōu)點(diǎn)。此外，由于SIW腔體還具有多模特性，在不同模式下設(shè)置輻射縫隙，可以獲得性能良好的SIW雙極化天線[22-23]。

文獻(xiàn)[24]中利用差分信號(hào)實(shí)現(xiàn)了SIW背腔形式的雙極化天線。天線由一個(gè)十字形縫隙組成，該縫隙背靠一個(gè)方形SIW腔。兩組接地共面波導(dǎo)用于激勵(lì)差分信號(hào)。差分信號(hào)激發(fā)了SIW腔對(duì)角的TE120和TE210模式。差分對(duì)中的一個(gè)用于激發(fā)+y方向極化輻射TE120模式，另一個(gè)激發(fā)+x方向極化，輻射與+y方向極化正交的TE210模式。表面電流分布檢測(cè)結(jié)果表明，當(dāng)一個(gè)差分端口被激勵(lì)時(shí)，另一個(gè)差分端口幾乎沒(méi)有表面電流，具有較高隔離度。文獻(xiàn)[25]設(shè)計(jì)了一種用于X波段雷達(dá)的SIW背腔雙極化天線陣列，可以較好地抑制交叉極化。文獻(xiàn)[25]中的天線陣列采用的單元貼片分為激勵(lì)貼片、寄生貼片和反射貼片3種，包含垂直極化和水平極化兩種饋電網(wǎng)絡(luò)。兩個(gè)饋電網(wǎng)絡(luò)在結(jié)構(gòu)上被接地層隔開(kāi)，從而增加了兩個(gè)極化之間的隔離度。文獻(xiàn)[25]比較了4種天線后發(fā)現(xiàn)，如果在所提出的陣列周圍增加更大的封閉腔體，就能夠進(jìn)一步抑制地面輻射。

文獻(xiàn)[26]提出了具有穩(wěn)定方向圖的雙極化孔徑耦合微帶SIW腔體天線陣列。其中的陣列單元基于圓形SIW腔體，通過(guò)在其地面上刻蝕十字縫隙的方式將能量耦合到貼片上。兩條微帶饋線印制在饋電基板的頂層上，以獲得雙極化性能。SIW腔體中的金屬化過(guò)孔可以在不改變地面尺寸和形狀的前提下防止能量在地面和反射器之間傳播，抑制了地面邊緣處的輻射，減輕了地面的影響，從而獲得了穩(wěn)定的方向圖。

基片集成波導(dǎo)雙極化天線，可以在符合通信系統(tǒng)小型化、集成化需求的同時(shí)，利用極化分集技術(shù)有效抵抗多徑衰落、減少干擾、增加系統(tǒng)容量，提高通信質(zhì)量。然而在使用雙極化天線的過(guò)程中，產(chǎn)生差分信號(hào)的外接器件需要連接天線，這會(huì)增加天線的損耗。如何更加合理地集成外接器件和天線，是基片集成波導(dǎo)雙極化天線在未來(lái)研究中需要解決的問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著對(duì)無(wú)線通信技術(shù)需求的不斷增加，SIW背腔天線已經(jīng)成為天線領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文總結(jié)了幾種類型的SIW薄型背腔天線，分析了其設(shè)計(jì)原理，從寬帶SIW天線，波束掃描SIW天線以及雙極化SIW天線3個(gè)方面介紹了SIW背腔天線的最新進(jìn)展以及在無(wú)線通信中的應(yīng)用。這些小型化的背腔天線保留了傳統(tǒng)的金屬腔體背腔天線的優(yōu)點(diǎn)，包括高增益，高前后比和低交叉極化的特點(diǎn)，并且還擁有平面天線的優(yōu)點(diǎn)，包括外形小，重量輕，低損耗，制造成本低以及易于與平面電路集成的優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，SIW背腔天線在以下幾個(gè)方面仍需進(jìn)行重點(diǎn)研究。

第一，在現(xiàn)有的研究中，大多應(yīng)用微波傳輸線或CPW結(jié)構(gòu)給SIW背腔天線饋電。由于微波傳輸線或CPW結(jié)構(gòu)與SIW背腔天線的特性阻抗不同，所以，微波傳輸線或CPW結(jié)構(gòu)會(huì)影響天線整體的阻抗匹配性能。目前比較常用的解決辦法是增加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，但阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)較復(fù)雜。如何實(shí)現(xiàn)背腔天線與饋電點(diǎn)之間更好的匹配以獲得良好的阻抗特性，是具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。

第二，增加基片集成波導(dǎo)縫隙天線的功能，會(huì)導(dǎo)致天線體積增加。利用超材料，如左右手超材料，具有的某些獨(dú)特性能，進(jìn)一步減小天線尺寸，獲得更好的性能以及更多的功能，是將來(lái)SIW背腔天線的研究方向之一。

第三，在毫米波波段，電磁波在空間傳播的衰減較大，信息傳輸?shù)目煽啃源蟠蠼档?。若無(wú)法增加輸入功率，就需要SIW背腔天線陣具有高增益性能。增加陣列規(guī)模是一種提高增益的常用方法。然而隨著陣列單元的增加，饋電網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度與損耗隨之增加。設(shè)計(jì)高增益SIW背腔天線陣是實(shí)際工程應(yīng)用中一項(xiàng)急需解決的技術(shù)問(wèn)題。