5G毫米波SIW雙頻濾波天線研究

賀宏達(dá)

摘要：文章介紹了一款基于SIW圓形腔的雙頻5G毫米波通信濾波天線。文章首先設(shè)計(jì)了一款符合濾波天線指標(biāo)的濾波器；其次，設(shè)計(jì)了一款符合濾波天線性能指標(biāo)的背腔縫隙天線；最后，通過匹配原則將縫隙天線代替濾波器的最后一階諧振單元。在濾波天線的諧振腔中，饋電到達(dá)電壁時(shí)會(huì)同時(shí)激勵(lì)起TM₁₁與TM₂₁兩種高階模式，實(shí)現(xiàn)雙頻濾波響應(yīng)。為了使天線可以實(shí)現(xiàn)最大的輻射性能，文章將縫隙蝕刻在電場(chǎng)最強(qiáng)處，并最終采用雙層垂直集成滿足濾波天線的小型化，這樣既保留了濾波器良好的濾波特性，天線的輻射效率也得到進(jìn)一步提升。濾波天線在雙頻段的增益最大處各自可以達(dá)到6 dBi和8.3 dBi，這證明了濾波天線的可行性，并驗(yàn)證了該濾波天線可以被廣泛應(yīng)用于5G毫米波通信系統(tǒng)的射頻前端。

關(guān)鍵詞：雙頻；基片集成波導(dǎo)；濾波天線；5G毫米波

中圖分類號(hào)：TN822

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

最近，國(guó)際電信聯(lián)盟宣布了現(xiàn)代5G通信系統(tǒng)的毫米波頻率。隨著5G的快速發(fā)展，通信系統(tǒng)向毫米波波段轉(zhuǎn)移，且系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)良的毫米波天線需求越來越大，導(dǎo)致對(duì)高集成度多功能微波電路的需求也日益增加。針對(duì)這種情況，一種有濾波功能的天線^［1-3］受到廣泛關(guān)注。

濾波器和天線廣泛應(yīng)用于射頻前端系統(tǒng)，它們通常分別設(shè)計(jì)，然后通過傳輸線連接。這種結(jié)構(gòu)很笨重，特別是對(duì)于三維濾波器和天線，額外的損耗是不可避免的。因此，將多個(gè)不同功能的組件集成到一個(gè)多功能模塊的設(shè)計(jì)方法被認(rèn)為是一種很有應(yīng)用前景的解決方案。這些多功能器件已經(jīng)在基片集成波導(dǎo)（Substrate Integrated Waveguide，SIW）^［4］技術(shù)中實(shí)現(xiàn)，提供平面形式的高Q選擇性。協(xié)同設(shè)計(jì)使射頻前端電路更緊湊，集成化程度更高，且消除了濾波器和天線之間的失配，提高了系統(tǒng)性能。為了滿足小體積、高性能的應(yīng)用需求，本文提出了一種使用TM₁₁和TM₁₂兩種高階模式實(shí)現(xiàn)雙頻帶的方法。

1 雙頻濾波天線設(shè)計(jì)和分析

1.1 雙頻濾波天線設(shè)計(jì)

雙頻濾波天線的三維結(jié)構(gòu)如圖1所示，該結(jié)構(gòu)由兩個(gè)厚度H=0.254 mm的Rogers RT/Duroid 5880板和3個(gè)銅層組成。圓形諧振腔的腔體邊緣壁由一圈金屬通孔構(gòu)成，采用3層金屬層并且利用接地共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)作為饋電元件，這樣可以同時(shí)激勵(lì)起TM₁₁與TM₂₁兩個(gè)高階模。兩種模式通過電耦合窗口從Cavity I傳輸?shù)紺avity Ⅱ。在Cavity Ⅱ頂部有3個(gè)輻射縫隙。

其中，Low-freq Slot為低頻輻射槽，以TM₁₁模式輻射。High-freq Slot為高頻輻射縫隙，以TM₂₁模式輻射高頻。將TM₁₁和TM₂₁兩種模式的對(duì)稱電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布應(yīng)用于諧振SIW腔天線中實(shí)現(xiàn)雙頻，后續(xù)討論以揭示其運(yùn)行性能。

該濾波天線單元采用電磁仿真HFSS進(jìn)行設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)天線的尺寸如表1所示。

1.2 雙頻濾波天線分析

SIW圓形諧振腔的TM_mn模式的諧振頻率計(jì)算公式如式（1）所示：

其中，f_c代表諧振頻率，μ_mn代表貝塞爾函數(shù)的根，c代表光速，ε_r代表相對(duì)介電常數(shù)，μ_r代表相對(duì)磁導(dǎo)率，r代表諧振腔半徑。

圓形SIW諧振腔在50 Ω微帶線作用下的電場(chǎng)分布如圖2所示。可以看出，TM₁₁和TM₂₁模式的最大電場(chǎng)是在不同的位置產(chǎn)生的。通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)蝕刻在中間金屬層上的耦合孔，可以同時(shí)激勵(lì)出理想的TM₁₁和TM₂₁模式的耦合，所以本文采用圓形電耦合窗的設(shè)計(jì)。

2 雙頻濾波天線仿真結(jié)果

該濾波天線的反射系數(shù)S₁₁以及隨著頻率變化的峰值增益仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果如圖3所示，即沿+z 軸方向的增益值與端口激勵(lì)時(shí)反射系數(shù)與頻率的關(guān)系。雙頻濾波天線在25.5 GHz和37 GHz的工作頻段的性能良好，在誤差影響范圍之內(nèi)。可以觀察到，兩種實(shí)現(xiàn)的增益曲線都表現(xiàn)出二階濾波響應(yīng)，在通帶內(nèi)增益平坦，在阻帶內(nèi)具有很好的帶外選擇性。正如預(yù)期的那樣，當(dāng)端口被激發(fā)時(shí)，測(cè)量到的低頻通帶最大寬側(cè)增益為6 dBi，在較低的工作帶，這個(gè)反射系數(shù)在-20 dB以下；該天線在高頻通帶時(shí)最大實(shí)現(xiàn)增益為8.3 dBi，反射系數(shù)在-15 dB以下。低頻通帶和高頻通帶在-10 dB的相對(duì)帶寬分別為5.5% （24.65～26 GHz）和3.8% （36.35～37.77 GHz）。

3 結(jié)語

文章展示了一個(gè)SIW圓形諧振腔饋電層與輻射層緊湊的垂直集成濾波天線。該設(shè)計(jì)采用兩種高階模態(tài)來實(shí)現(xiàn)饋電，并經(jīng)過電耦合窗將能量耦合到輻射層，再由高頻輻射縫隙與低頻輻射縫隙分別將高低頻能量輻射出去。該設(shè)計(jì)通過垂直集成饋電腔和輻射腔，成功地實(shí)現(xiàn)了增益提高的濾波天線，并對(duì)兩個(gè)通帶都有良好的帶外頻率選擇性。經(jīng)過加工測(cè)試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果吻合較好，顯示了改進(jìn)的實(shí)現(xiàn)增益、良好的帶外選擇性和穩(wěn)定的輻射性能。這些優(yōu)點(diǎn)使該濾波天線在空間有限的5G毫米波前端無線通信系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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（編輯 王雪芬）

Research on 5G millimeter wave SIW dual-band filtering antenna

He Hongda

（Qingdao Tari Automation Co.， Ltd.， Qingdao 261600， China）

Abstract： This work presents a dual-band 5G millimeter wave communication filter antenna based on SIW circular cavity. Firstly， a filter conforming to the filter antenna index is designed. Secondly， a backcavity slot antenna conforming to the filter antenna performance index is designed. Finally， the slot antenna is replaced by the last resonant element of the filter through the matching principle. In the harmonic cavity of the filtering antenna， the feed will reach the electric wall simultaneously inspire TM₁₁and TM₂₁to two high-level filter modes for multiple response. In order for the antenna to achieve the maximum radiation level， scratches gap in the strongest point of the electric field. The miniature shape of the filtering antenna is finally integrated with a dual vertical design. In this way， the good filtering characteristics of the filter are retained and the radiation efficiency of the antenna is further improved. The maximum gain of the dual band can reach 6 dBi and 8.3 dBi respectively. It proving the feasibility and validation of a filtering antenna that can be widely applied between the radio frequency face-ends of a 5G millimeter communication system.

Key words： dual-band; substrate integrated waveguide; filtering antenna; 5G millimeter wave