5G毫米波SIW双频滤波天线研究

贺宏达

摘要：文章介绍了一款基于SIW圆形腔的双频5G毫米波通信滤波天线。文章首先设计了一款符合滤波天线指标的滤波器；其次，设计了一款符合滤波天线性能指标的背腔缝隙天线；最后，通过匹配原则将缝隙天线代替滤波器的最后一阶谐振单元。在滤波天线的谐振腔中，馈电到达电壁时会同时激励起TM₁₁与TM₂₁两种高阶模式，实现双频滤波响应。为了使天线可以实现最大的辐射性能，文章将缝隙蚀刻在电场最强处，并最终采用双层垂直集成满足滤波天线的小型化，这样既保留了滤波器良好的滤波特性，天线的辐射效率也得到进一步提升。滤波天线在双频段的增益最大处各自可以达到6 dBi和8.3 dBi，这证明了滤波天线的可行性，并验证了该滤波天线可以被广泛应用于5G毫米波通信系统的射频前端。

关键词：双频；基片集成波导；滤波天线；5G毫米波

中图分类号：TN822

文献标志码：A

0 引言

最近，国际电信联盟宣布了现代5G通信系统的毫米波频率。随着5G的快速发展，通信系统向毫米波波段转移，且系统对结构紧凑、性能优良的毫米波天线需求越来越大，导致对高集成度多功能微波电路的需求也日益增加。针对这种情况，一种有滤波功能的天线^［1-3］受到广泛关注。

滤波器和天线广泛应用于射频前端系统，它们通常分别设计，然后通过传输线连接。这种结构很笨重，特别是对于三维滤波器和天线，额外的损耗是不可避免的。因此，将多个不同功能的组件集成到一个多功能模块的设计方法被认为是一种很有应用前景的解决方案。这些多功能器件已经在基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide，SIW）^［4］技术中实现，提供平面形式的高Q选择性。协同设计使射频前端电路更紧凑，集成化程度更高，且消除了滤波器和天线之间的失配，提高了系统性能。为了满足小体积、高性能的应用需求，本文提出了一种使用TM₁₁和TM₁₂两种高阶模式实现双频带的方法。

1 双频滤波天线设计和分析

1.1 双频滤波天线设计

双频滤波天线的三维结构如图1所示，该结构由两个厚度H=0.254 mm的Rogers RT/Duroid 5880板和3个铜层组成。圆形谐振腔的腔体边缘壁由一圈金属通孔构成，采用3层金属层并且利用接地共面波导结构作为馈电元件，这样可以同时激励起TM₁₁与TM₂₁两个高阶模。两种模式通过电耦合窗口从Cavity I传输到Cavity Ⅱ。在Cavity Ⅱ顶部有3个辐射缝隙。

其中，Low-freq Slot为低频辐射槽，以TM₁₁模式辐射。High-freq Slot为高频辐射缝隙，以TM₂₁模式辐射高频。将TM₁₁和TM₂₁两种模式的对称电场和磁场分布应用于谐振SIW腔天线中实现双频，后续讨论以揭示其运行性能。

该滤波天线单元采用电磁仿真HFSS进行设计，所设计天线的尺寸如表1所示。

1.2 双频滤波天线分析

SIW圆形谐振腔的TM_mn模式的谐振频率计算公式如式（1）所示：

其中，f_c代表谐振频率，μ_mn代表贝塞尔函数的根，c代表光速，ε_r代表相对介电常数，μ_r代表相对磁导率，r代表谐振腔半径。

圆形SIW谐振腔在50 Ω微带线作用下的电场分布如圖2所示。可以看出，TM₁₁和TM₂₁模式的最大电场是在不同的位置产生的。通过适当地设计蚀刻在中间金属层上的耦合孔，可以同时激励出理想的TM₁₁和TM₂₁模式的耦合，所以本文采用圆形电耦合窗的设计。

2 双频滤波天线仿真结果

该滤波天线的反射系数S₁₁以及随着频率变化的峰值增益仿真和实测结果如图3所示，即沿+z 轴方向的增益值与端口激励时反射系数与频率的关系。双频滤波天线在25.5 GHz和37 GHz的工作频段的性能良好，在误差影响范围之内。可以观察到，两种实现的增益曲线都表现出二阶滤波响应，在通带内增益平坦，在阻带内具有很好的带外选择性。正如预期的那样，当端口被激发时，测量到的低频通带最大宽侧增益为6 dBi，在较低的工作带，这个反射系数在-20 dB以下；该天线在高频通带时最大实现增益为8.3 dBi，反射系数在-15 dB以下。低频通带和高频通带在-10 dB的相对带宽分别为5.5% （24.65～26 GHz）和3.8% （36.35～37.77 GHz）。

3 结语

文章展示了一个SIW圆形谐振腔馈电层与辐射层紧凑的垂直集成滤波天线。该设计采用两种高阶模态来实现馈电，并经过电耦合窗将能量耦合到辐射层，再由高频辐射缝隙与低频辐射缝隙分别将高低频能量辐射出去。该设计通过垂直集成馈电腔和辐射腔，成功地实现了增益提高的滤波天线，并对两个通带都有良好的带外频率选择性。经过加工测试的实验结果与模拟结果吻合较好，显示了改进的实现增益、良好的带外选择性和稳定的辐射性能。这些优点使该滤波天线在空间有限的5G毫米波前端无线通信系统中具有广阔的应用前景。

参考文献

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［2］TANG M C，CHEN Y，ZIOLKOWSKI R W.Experimentally validated planar wideband electrically small，monopole filtennas based on capacitively loaded loop resonators［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2016（8）：3353-3360.

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［5］HU K Z，TANG M C，WANG Y，et al.Compact，vertically integrated duplex filtenna with common feeding and radiating SIW cavities［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2020（99）：1.

（編辑 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