基片集成波導全向濾波天線多天線陣列

余 晨 洪 偉 周健義

（東南大學信息科學與工程學院，毫米波國家重點實驗室，江蘇 南京210096）

引 言

將射頻濾波器和天線進行聯(lián)合設計實現(xiàn)濾波天線，可以減少濾波器與天線間連接線引入的插入損耗，同時濾波天線可有效地抑制工作頻帶外的雜散信號。一些文獻已對此項技術進行了研究［1－4］，但是，這些文獻中的濾波器或輻射部分，結構復雜或由開放型傳輸線構成，在Ku波段的插入損耗較大、寄生輻射較強。

基片集成波導（SIW）作為一種平面導波技術［5－7］得到了越來越廣泛的運用。SIW具有低成本、低剖面、重量輕、易集成、易制作的特點。很多研究結果展示了基于SIW結構的濾波器和縫隙天線的研究成果［8－13］，這些SIW 無源器件具有品質高、損耗低的特點。文獻［14］－［18］中報道了SIW 功率分配器與印刷輻射單元集成平面陣列天線的結構。

在國家重大專項支持下，設計、制作并測量了基于SIW結構的工作在Ku波段的全向濾波天線，用于Ku波段頻分復用（FDD）無線通信系統(tǒng)。將SIW結構的濾波器和輻射縫隙陣列集成在一個SIW傳輸線中，可以減少電路損耗、提高天線效率、簡化天線結構。實測結果表明：全向濾波天線保持了輻射縫隙的全向輻射特性，并可有效地抑制帶外雜散信號，只有通過濾波器的信號才能激勵輻射單元。工作在相鄰波段的全向濾波天線具有良好的隔離度，可以用作FDD系統(tǒng)的收、發(fā)信道。多輸入多輸出（MIMO）天線陣列中單個全向濾波天線的輻射特性與獨立全向濾波天線基本保持一致。

1.全向濾波天線陣列設計

1.1 SIW縫隙輻射陣列

SIW是由介質基片上的兩排金屬化通孔構成，如圖1所示。SIW具有類似傳統(tǒng)介質填充矩形波導的傳播特性，SIW縫隙輻射單元具有類似傳統(tǒng)介質填充矩形波導縫隙輻射單元輻射特性。采用SIW縱向雙面8對縫隙作為全向濾波天線的輻射部分，實現(xiàn)全向輻射，如圖1所示。工作在諧振模式的SIW縱向縫隙陣列，相鄰縱向縫隙的中心垂直間距大約為λg／2，縫隙陣列的終端采用一排金屬化通孔實現(xiàn)短路，它們和末端縱向縫隙中心的垂直距離為λg／4或3λg／4［19］.雙面對稱縫隙陣列可實現(xiàn) E 面（x－z平面）全向輻射特性。圖1中所有縫隙的長度、寬度和偏離SIW中線的位置均一致。

圖1 SIW全向濾波天線

1.2 SIW感性窗口濾波器

如圖1所示，三階SIW感性窗口濾波器，由金屬化通孔構成寬度為Wfi（i＝1，2）的感性窗口和長度為Lfi（i＝1，2）的諧振腔。SIW 諧振腔 TE101模的中心諧振頻率由其物理尺寸決定［20］，且有

式中：εr和μr為介質的介電常數(shù)和磁導率；c是自由空間光速；Weff和Leff是SIW諧振腔的等效寬度和等效長度［6］

式中：WSIW和Lf分別是SIW諧振腔的寬度和長度；d和D分別是金屬化通孔的直徑和相鄰金屬化通孔的中心間距。D／d＜2.5時，以上等效公式足夠精確。

1.3 SIW全向濾波天線

文章設計、仿真并測量了Ku波段SIW全向濾波天線，如圖1所示，SIW濾波器和SIW縫隙輻射陣列集成在一個SIW傳輸線中。SIW濾波器輸入端反射系數(shù)的10dB帶寬比SIW縫隙輻射陣列輸入端反射系數(shù)的10dB帶寬略窄，但可滿足所服務FDD系統(tǒng)的上、下行鏈路各100MHz帶寬的要求。設計采用微帶線－SIW轉接器為SIW饋電，采用介電常數(shù)為2.55、厚度為0.5mm的Taconic作為介質基材。

工作在13.6GHz的SIW全向濾波天線，具體尺寸如下：Wms＝1.38mm，Wtaper＝2.2mm，Ltaper＝5 mm，d＝0.6mm，D＝1mm，D1＝16.16mm，D2＝2.13mm，D3＝1.35mm，x＝0.1mm，Wslot＝0.1 mm，Lslot＝8.06mm，WSIW＝9.8mm，Wf1＝5.19 mm，Wf2＝3.24mm，Lf0＝10mm，Lf1＝9.2mm，Lf2＝10mm，Wsub＝20mm.

工作在14.4GHz的SIW全向濾波天線，具體尺寸如下：Wms＝1.38mm，Wtaper＝2.2mm，Ltaper＝5 mm，d＝0.6mm，D＝1mm，D1＝15.02mm，D2＝1.99mm，D3＝1.3mm，x＝0.1mm，Wslot＝0.1 mm，Lslot＝7.52mm，WSIW＝9.4mm，Wf1＝5.18 mm，Wf2＝3.24mm，Lf0＝9.27mm，Lf1＝8.43 mm，Lf2＝9.27mm，Wsub＝20mm.

所有尺寸在仿真軟件CST中優(yōu)化獲得［21］。

2.天線陣列的仿真和測試結果

2.1 獨立全向濾波天線

13.6 GHz和14.4GHz波段的SIW全向濾波天線的實物如圖2所示。圖3和圖4分別比較了13.6GHz和14.4GHz時SIW全向天線和全向濾波天線仿真和測量的輸入端反射系數(shù)｜S11｜.可見，全向濾波天線有效地抑制了帶外的雜散信號，使｜S11｜的過渡帶變得非常陡峭。

圖5是兩個波段全向濾波天線分別在13.6GHz和14.4GHz的 E面（x－z 平面）與 H 面（y－z平面）輻射方向圖的測量結果。兩個全向濾波天線的E面波動分別小于2.5dB和3dB，保持了SIW縫隙輻射部分的全向輻射特性。方向圖測量在微波暗室中完成。

表1給出了兩個波段全向濾波天線分別在13.6GHz和14.4GHz的實測增益，并和具有同樣輻射縫隙陣列的SIW全向天線做了比較。由于濾波器存在插入損耗，SIW全向濾波天線的增益較SIW全向天線低1.5dB左右。

圖2 13.6GHz和14.4GHz時SIW全向濾波天線實物

表1 全向天線與全向濾波天線實測增益

在圖6所示的測量場景中測量了全向濾波天線的傳輸特性。將兩個完全一致的全向濾波天線，分別與矢量網絡分析儀端口1和2相接。圖7給出了兩個波段全向濾波天線傳輸特性｜S21｜的測量結果，并和具有圖2所示結構、采用微帶線－SIW轉接器饋電、尺寸與全向濾波天線中濾波器部分相同的SIW三階感性窗口濾波器的｜S21｜做了比較。可以看到全向濾波天線的傳輸特性具有明顯的濾波特性。

2.2 全向濾波天線多天線陣列

圖8和圖9分別給出了全向濾波天線多天線陣列的結構圖和實物圖。多天線陣列由8個SIW全向濾波天線組成，其中4個工作在13.6GHz波段，4個工作在14.4GHz波段，分別用于FDD系統(tǒng)的上、下行多通道。8個全向濾波天線集成在一塊介質基板上，為保證陣列中單個濾波天線的全向輻射特性不變，在相鄰全向濾波天線間留出了空氣間距，介質板只在全向濾波天線的濾波器部分和頂端相連。

將圖8中的全向濾波天線1（工作在13.6GHz波段）和全向濾波天線2（工作在14.4GHz波段）分別與矢量網絡分析儀的端口1和2相連，測得兩個波段全向濾波天線的隔離度，如圖10所示。同時測量了兩個波段全向天線的隔離度，在同一波段全向天線的輻射部分和全向濾波天線的輻射部分具有相同尺寸。兩個波段全向濾波天線的實測隔離度低于－57dB，可用于FDD系統(tǒng)的收、發(fā)通道。

圖11給出了圖8中全向濾波天線1和2的實測方向圖。全向濾波天線1的E面波動小于3.3 dB，全向濾波天線2的E面波動小于3dB，基本保持了單個濾波天線的全向輻射特性。

圖11 全向濾波天線1和2實測方向圖

圖12給出了多天線陣列中兩個波段相鄰全向濾波天線的實測互耦，小于－35dB.

圖12 多天線陣列中相鄰全向濾波天線互耦

3.結 論

文中設計、制作并測量了工作在兩個波段的SIW縫隙全向濾波天線。全向濾波天線可以有效地抑制帶外雜散信號。兩個波段的全向濾波天線隔離度良好，可以用于FDD系統(tǒng)的收、發(fā)信道。多個全向濾波天線組成的多天線系統(tǒng)，可采用標準印制線路板（PCB）工藝，集成在一塊介質上，具有易制作、易集成、成本低的優(yōu)點。同時多天線系統(tǒng)中的單個濾波天線保持了獨立濾波天線的全向輻射特性。

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