溫煜東

（晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 晉中 030600）

一、前言

隨著電子通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)電磁波的利用越來(lái)越多。天線擔(dān)負(fù)著接收和發(fā)射電磁波的功能，其性能的優(yōu)劣直接決定著通信信號(hào)的好壞。與傳統(tǒng)的反射面天線相比，縫隙天線具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、效率高、易實(shí)現(xiàn)低副瓣等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。［1，2］

縫隙天線的研究始于20世紀(jì)40年代。2007年，金劍、萬(wàn)笑梅等人利用HFSS的S參數(shù)仿真結(jié)果，通過(guò)等效網(wǎng)絡(luò)法計(jì)算了互耦環(huán)境下縫隙的導(dǎo)納，并采用口徑場(chǎng)反演的方法修正了縫隙的參數(shù)。［3］在帶線饋電的縫隙天線中，平行板模式具有不連續(xù)的饋電線路和輻射縫，因此在多個(gè)頻率下均會(huì)產(chǎn)生干擾共振并且輻射效率很低。為了克服這個(gè)問(wèn)題，Jung-Min Kim等人通過(guò)使用具有不同介電常數(shù)的介質(zhì)層來(lái)避免兩平行導(dǎo)體平面之間的平行板模式。Haydl給導(dǎo)體逆向共平面波導(dǎo)管增加了過(guò)孔，當(dāng)過(guò)孔放在適當(dāng)位置時(shí)，干擾模式在選定的頻率范圍內(nèi)得到有效抑制。

為了實(shí)現(xiàn)通信設(shè)備的小型化，可以將多個(gè)器件整合成一個(gè)器件，組成一個(gè)封裝模塊。

如果將一種彎曲縫隙天線集成在一個(gè)帶有腔體的封裝模塊的表面，通過(guò)增加金屬過(guò)孔使得天線的輻射方向更好，性能更優(yōu)。利用HFSS仿真封裝天線的性能，驗(yàn)證彎曲縫隙天線是否能夠應(yīng)用實(shí)際中，是否便于集成化，提高集成度。

二、HFSS仿真模型

封裝天線由3層金屬和兩層基板堆疊構(gòu)成。兩層基板均使用了聚四氟乙烯（Teflon，介電常數(shù)為2.2，相對(duì)磁導(dǎo)率為1），大小為50mm*50mm，厚度分別為1.6mm和2.4mm。并在下層基板內(nèi)蝕刻出一個(gè)50mm*50mm*1.6mm的腔體，其內(nèi)部可放置集成的芯片和電路。在頂層金屬上蝕刻了一條彎曲縫隙，中間層和底層金屬分別作為天線地和封裝地，構(gòu)成縫隙封裝天線模塊。天線饋電采用同軸轉(zhuǎn)帶線耦合饋電的方式。在HFSS中構(gòu)建出的天線模型如圖1所示。

圖1 封裝天線的HFSS模型

三、仿真結(jié)果

HFSS中，掃頻類(lèi)型設(shè)為Fast，頻率設(shè)置類(lèi)型為L(zhǎng)inearStep,范圍從 1GHz到 10GHz，步長(zhǎng)為 0.01GHz。運(yùn)行求解分析，可以得到天線的仿真結(jié)果。

圖2 縫隙天線的S參數(shù)

圖2給出了縫隙天線S參數(shù)的仿真結(jié)果。由圖可知，天線工作中心頻率為5.2GHz，-10 dB帶寬為130MHz。在工作頻段內(nèi)，天線的增益為2.92dBi。

四、封裝性能的改善

圖3 設(shè)置孔柵結(jié)構(gòu)后的模型

圖4 系統(tǒng)仿真結(jié)果

由于兩層金屬板之間產(chǎn)生的平行板模式，其復(fù)諧振在2.5 GHz到6 GHz頻率范圍內(nèi)變化。這種情況下，在縫隙天線四周加上孔柵結(jié)構(gòu)，使得彎曲縫隙天線被金屬通孔包圍以避免平行板波導(dǎo)模式的激勵(lì)，此時(shí)這些寄生響應(yīng)將會(huì)得到有效抑制（如圖3所示）。圍繞縫隙的過(guò)孔之間的距離為3 mm（0.06λg），圍繞封裝腔的過(guò)孔為6 mm（0.12λg）。此時(shí)，縫隙天線S參數(shù)的仿真結(jié)果如圖4所示。天線工作中心頻率為5.25 GHz，-10 dB帶寬為150MHz。

圖5給出了封裝天線的輻射方向圖。由圖可知，天線的主要前向輻射電磁波，在工作頻段內(nèi)，天線的增益為4.42 dBi。在設(shè)置了孔柵結(jié)構(gòu)以后，天線的增益提高了1.5 dB。

圖5 輻射方向圖

五、結(jié)論

通過(guò)對(duì)彎曲縫隙封裝天線的性能進(jìn)行仿真，并利用孔柵結(jié)構(gòu)來(lái)抑制封裝腔中的天線的近場(chǎng)輻射，不僅減小了集成天線對(duì)腔內(nèi)器件的電磁干擾，而且提高了天線的輻射效率。結(jié)果表明，彎曲縫隙天線有很好的性能，可以用于集成化和小型化。

［1］戴晴，黃紀(jì)軍，莫錦軍.現(xiàn)代微波與天線測(cè)量技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

［2］李明洋.HFSS天線設(shè)計(jì)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［3］金劍，萬(wàn)笑梅，汪偉，金謀.平波導(dǎo)平板裂縫天線陣的設(shè)計(jì)［J］.雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2007（3）：232-235.