基片集成波导全向滤波天线多天线阵列

余 晨 洪 伟 周健义

（东南大学信息科学与工程学院，毫米波国家重点实验室，江苏 南京210096）

引 言

将射频滤波器和天线进行联合设计实现滤波天线，可以减少滤波器与天线间连接线引入的插入损耗，同时滤波天线可有效地抑制工作频带外的杂散信号。一些文献已对此项技术进行了研究［1－4］，但是，这些文献中的滤波器或辐射部分，结构复杂或由开放型传输线构成，在Ku波段的插入损耗较大、寄生辐射较强。

基片集成波导（SIW）作为一种平面导波技术［5－7］得到了越来越广泛的运用。SIW具有低成本、低剖面、重量轻、易集成、易制作的特点。很多研究结果展示了基于SIW结构的滤波器和缝隙天线的研究成果［8－13］，这些SIW 无源器件具有品质高、损耗低的特点。文献［14］－［18］中报道了SIW 功率分配器与印刷辐射单元集成平面阵列天线的结构。

在国家重大专项支持下，设计、制作并测量了基于SIW结构的工作在Ku波段的全向滤波天线，用于Ku波段频分复用（FDD）无线通信系统。将SIW结构的滤波器和辐射缝隙阵列集成在一个SIW传输线中，可以减少电路损耗、提高天线效率、简化天线结构。实测结果表明：全向滤波天线保持了辐射缝隙的全向辐射特性，并可有效地抑制带外杂散信号，只有通过滤波器的信号才能激励辐射单元。工作在相邻波段的全向滤波天线具有良好的隔离度，可以用作FDD系统的收、发信道。多输入多输出（MIMO）天线阵列中单个全向滤波天线的辐射特性与独立全向滤波天线基本保持一致。

1.全向滤波天线阵列设计

1.1 SIW缝隙辐射阵列

SIW是由介质基片上的两排金属化通孔构成，如图1所示。SIW具有类似传统介质填充矩形波导的传播特性，SIW缝隙辐射单元具有类似传统介质填充矩形波导缝隙辐射单元辐射特性。采用SIW纵向双面8对缝隙作为全向滤波天线的辐射部分，实现全向辐射，如图1所示。工作在谐振模式的SIW纵向缝隙阵列，相邻纵向缝隙的中心垂直间距大约为λg／2，缝隙阵列的终端采用一排金属化通孔实现短路，它们和末端纵向缝隙中心的垂直距离为λg／4或3λg／4［19］.双面对称缝隙阵列可实现 E 面（x－z平面）全向辐射特性。图1中所有缝隙的长度、宽度和偏离SIW中线的位置均一致。

图1 SIW全向滤波天线

1.2 SIW感性窗口滤波器

如图1所示，三阶SIW感性窗口滤波器，由金属化通孔构成宽度为Wfi（i＝1，2）的感性窗口和长度为Lfi（i＝1，2）的谐振腔。SIW 谐振腔 TE101模的中心谐振频率由其物理尺寸决定［20］，且有

式中：εr和μr为介质的介电常数和磁导率；c是自由空间光速；Weff和Leff是SIW谐振腔的等效宽度和等效长度［6］

式中：WSIW和Lf分别是SIW谐振腔的宽度和长度；d和D分别是金属化通孔的直径和相邻金属化通孔的中心间距。D／d＜2.5时，以上等效公式足够精确。

1.3 SIW全向滤波天线

文章设计、仿真并测量了Ku波段SIW全向滤波天线，如图1所示，SIW滤波器和SIW缝隙辐射阵列集成在一个SIW传输线中。SIW滤波器输入端反射系数的10dB带宽比SIW缝隙辐射阵列输入端反射系数的10dB带宽略窄，但可满足所服务FDD系统的上、下行链路各100MHz带宽的要求。设计采用微带线－SIW转接器为SIW馈电，采用介电常数为2.55、厚度为0.5mm的Taconic作为介质基材。

工作在13.6GHz的SIW全向滤波天线，具体尺寸如下：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全向滤波天线，具体尺寸如下：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.

所有尺寸在仿真软件CST中优化获得［21］。

2.天线阵列的仿真和测试结果

2.1 独立全向滤波天线

13.6 GHz和14.4GHz波段的SIW全向滤波天线的实物如图2所示。图3和图4分别比较了13.6GHz和14.4GHz时SIW全向天线和全向滤波天线仿真和测量的输入端反射系数｜S11｜.可见，全向滤波天线有效地抑制了带外的杂散信号，使｜S11｜的过渡带变得非常陡峭。

图5是两个波段全向滤波天线分别在13.6GHz和14.4GHz的 E面（x－z 平面）与 H 面（y－z平面）辐射方向图的测量结果。两个全向滤波天线的E面波动分别小于2.5dB和3dB，保持了SIW缝隙辐射部分的全向辐射特性。方向图测量在微波暗室中完成。

表1给出了两个波段全向滤波天线分别在13.6GHz和14.4GHz的实测增益，并和具有同样辐射缝隙阵列的SIW全向天线做了比较。由于滤波器存在插入损耗，SIW全向滤波天线的增益较SIW全向天线低1.5dB左右。

图2 13.6GHz和14.4GHz时SIW全向滤波天线实物

表1 全向天线与全向滤波天线实测增益

在图6所示的测量场景中测量了全向滤波天线的传输特性。将两个完全一致的全向滤波天线，分别与矢量网络分析仪端口1和2相接。图7给出了两个波段全向滤波天线传输特性｜S21｜的测量结果，并和具有图2所示结构、采用微带线－SIW转接器馈电、尺寸与全向滤波天线中滤波器部分相同的SIW三阶感性窗口滤波器的｜S21｜做了比较。可以看到全向滤波天线的传输特性具有明显的滤波特性。

2.2 全向滤波天线多天线阵列

图8和图9分别给出了全向滤波天线多天线阵列的结构图和实物图。多天线阵列由8个SIW全向滤波天线组成，其中4个工作在13.6GHz波段，4个工作在14.4GHz波段，分别用于FDD系统的上、下行多通道。8个全向滤波天线集成在一块介质基板上，为保证阵列中单个滤波天线的全向辐射特性不变，在相邻全向滤波天线间留出了空气间距，介质板只在全向滤波天线的滤波器部分和顶端相连。

将图8中的全向滤波天线1（工作在13.6GHz波段）和全向滤波天线2（工作在14.4GHz波段）分别与矢量网络分析仪的端口1和2相连，测得两个波段全向滤波天线的隔离度，如图10所示。同时测量了两个波段全向天线的隔离度，在同一波段全向天线的辐射部分和全向滤波天线的辐射部分具有相同尺寸。两个波段全向滤波天线的实测隔离度低于－57dB，可用于FDD系统的收、发通道。

图11给出了图8中全向滤波天线1和2的实测方向图。全向滤波天线1的E面波动小于3.3 dB，全向滤波天线2的E面波动小于3dB，基本保持了单个滤波天线的全向辐射特性。

图11 全向滤波天线1和2实测方向图

图12给出了多天线阵列中两个波段相邻全向滤波天线的实测互耦，小于－35dB.

图12 多天线阵列中相邻全向滤波天线互耦

3.结 论

文中设计、制作并测量了工作在两个波段的SIW缝隙全向滤波天线。全向滤波天线可以有效地抑制带外杂散信号。两个波段的全向滤波天线隔离度良好，可以用于FDD系统的收、发信道。多个全向滤波天线组成的多天线系统，可采用标准印制线路板（PCB）工艺，集成在一块介质上，具有易制作、易集成、成本低的优点。同时多天线系统中的单个滤波天线保持了独立滤波天线的全向辐射特性。

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