基于基片集成波导双模腔体的正交极化双工滤波天线.pdf

第 56 卷 第 10 期2023 年 10 月通信技术Communications TechnologyVol.56 No.10Oct.20231209文献引用格式：慕文静,严小黑.基于基片集成波导双模腔体的正交极化双工滤波天线 J.通信技术,2023,56(10):1209-1215.doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2023.10.012基于基片集成波导双模腔体的正交极化双工滤波天线*慕文静，严小黑（广西民族师范学院，广西 崇左 532200）摘 要：利用基片集成波导设计了一款正交极化双工滤波天线，其由两级谐振腔构成，第一级双模腔体实现双工和第一级滤波的作用，第二级开细缝的单模腔体实现天线辐射和第二级滤波的作用。通过收发缝隙天线的正交放置，实现它们之间的正交极化关系。仿真结果表明，高频和低频两个通带内均有明显的谐振点，且在阻带范围内反射系数均接近 0 dB，其中：低频通带-10 dB 的带宽范围为 3.773.83 GHz，分数带宽约为 1.6%；高频通带-10 dB 的带宽范围为 4.464.54 GHz，分数带宽为 1.8%。两个端口之间的隔离度在低频通带内超过 26 dB，在高频通带内超过 20 dB。两个通带的增益曲线都具有很好的频率选择和带外抑制特性。天线在两个中心频率处均具有很好的边射特性及较低的交叉极化水平。关键词：基片集成波导；双工；滤波天线；极化；增益；隔离度中图分类号：TN820 文献标识码：A 文章编号：1002-0802(2023)-10-1209-07Orthogonally Polarized Duplex Filter Antenna Based on Substrate Integrated Waveguide Dual-Mode CavityMU Wenjing,YAN Xiaohei(Guangxi Normal University for Nationalities,Chongzuo Guangxi 532200,China)Abstract:An orthogonally polarized duplex filter antenna is designed using a substrate integrated waveguide,which consists of two levels of resonant cavities,the first level of dual-mode cavity to achieve duplexing and the first level of filtering,and the second level of single-mode cavity with a thin slit to achieve antenna radiation and the second level of filtering.The orthogonal polarization relationship among the transceiver slit antennas is achieved through their orthogonal placement.Simulation results indicate that there are obvious resonance points in both the high-frequency and low-frequency passbands,and the reflection coefficients are close to 0 dB in the resistance band range,where the bandwidth of the low-frequency passband of-10 dB ranges from 3.77 GHz to 3.83 GHz,with a fractional bandwidth of about 1.6%;and the bandwidth of the high-frequency passband of-10 dB ranges from 4.46 GHz to 4.54 GHz,with a fractional bandwidth of 1.8%.The isolation between the two ports exceeds 26 dB in the low-frequency passband and 20 dB in the high-frequency passband,and the gain curves in both passbands are characterized by good frequency selectivity and out-of-band rejection.The antenna has good side-shooting characteristics and low cross-polarization levels at both center frequencies.Keywords:substrate integrated waveguide;duplex;filter antenna;polarization;gain;isolation degree *收稿日期：2023-07-22；修回日期：2023-09-09 Received date:2023-07-22;Revised date:2023-09-09基金项目：广西高校中青年教师基本科研能力提升项目（2023KY0796）Foundation Item:Guangxi University Basic Research Ability Enhancement Program for Young and Middle-aged Teachers(2023KY0796)1210通信技术2023 年0 引 言随着无线通信系统使用频率的提高，要求射频前端器件具备更小的体积和更好的性能1-4。基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide，SIW）因其具有成本低、易于集成、损耗低、高品质因数等优点，成为高性能小型化射频器件的热门结构5-8。在传统的双工通信系统中，通常是将天线、双工器和滤波器分开设计，然后通过匹配网络将它们进行连接，这样会增加整个系统的体积和重量，并且带来额外损耗，从而降低系统的整体性能。将天线、滤波器和双工器进行一体化、集成化设计可以实现同时接收和发射信号的功能，并且可以使系统的体积减小、重量减轻，还可以提高信号的传送效率，提升系统整体的通信质量9-12。文献 13 利用传统的裂口环谐振器和贴片天线进行无缝集成，成功实现了在两个通带内具有相同极化特性的双工滤波天线。该天线为双层结构，其利用发卡形谐振器和贴片组成一个具有双通带的双频天线，然后在发卡形谐振器的两个开路端分别级联工作在不同频率的滤波网络，最终采用两个端口分别激励滤波网络，实现具有滤波功能的双工天线。文献 14 利用矩形槽加载的双模贴片和谐振器进行集成的方法来实现大频分比的双工滤波天线，该天线为 3 层结构，其双模辐射贴片工作在 TM10和TM30模式。通过在贴片上挖槽，可以控制两种模式的谐振频率，两个微带谐振器通过槽耦合激励辐射贴片，从而实现双工滤波天线的设计。文献 15 提出了一种水平级联的 SIW 双工滤波天线，其采用单层结构，在背腔式槽天线的两端分别水平级联一个工作在基模状态的 SIW 腔体来实现通带具有二阶响应的双工滤波天线，该结构长度尺寸较大。以上文献提出的双工滤波天线具有结构相对复杂或尺寸较大的问题。因此，利用基片集成波导实现结构简单、小尺寸的双工滤波天线具有十分重要的研究和应用价值。1 正交极化双工滤波天线的结构本文设计采用单层基片集成波导结构，其三维结构如图 1 所示，上下两面为金属层，中间为介质层（材料为玻璃纤维环氧树脂 FR4）。本设计的双工滤波天线由一个基片集成波导双模腔体和两个开细缝的基片集成波导单模腔体构成。基片集成波导双模腔体作为馈电腔体，具有双工和第一级滤波的作用。第二级开细缝的单模腔体作为辐射腔体，具有天线辐射和第二级滤波的作用。两个馈电端口（一个用于发射信号，另一个用于接收信号）分别位于基片集成波导双模腔体的长边壁和宽边壁的中心位置，微带线与基片集成波导的过渡方式均采用共面波导的形式，可以通过控制共面波导插入腔体的长度来灵活地控制微带线和基片集成波导双模腔体之间的耦合强度。双模腔体和单模腔体间通过共边中间处的感性窗口实现耦合，可以通过控制感性窗口的大小来控制两腔体之间的耦合强度。两个用于辐射的细缝均位于单模腔体的中间位置，分别在水平和竖直方向，从而实现极化的正交关系，并提高收发信号之间的隔离度。双工滤波天线上层金属的俯视图如图 2 所示，利用仿真软件 HFSS 仿真优化后最终的结构参数如表 1 所示。金属顶层金属底层介质基板激励端口 1激励端口 2金属通孔高频辐射缝隙低频辐射缝隙图 1 正交极化双工滤波天线的三维结构l2l4p2p3m1w0p4yxobmpdwll3p1l1g2g1图 2 顶层金属的尺寸1211第 56 卷第 10 期慕文静，严小黑：基于基片集成波导双模腔体的正交极化双工滤波天线表 1 正交极化双工滤波天线结构参数/mm参 数值参 数值l46d1p2p12l122l227.58p41.88p31.9g23m7.2w01.84m18.1l320p21.97b1w34g12l426.22 天线设计及原理分析文献 15 的基片集成波导双工滤波天线的设计中，低频通带和高频通带的馈电腔体分别使用独立的基片集成波导腔体，而在本文设计中，低频通带和高频通带共用一个基片集成波导馈电腔体，从而缩减电路的长度尺寸，达到小型化的目的。为了在共用一个基片集成波导馈电腔体的同时，仍能保持两个馈电端口之间较好的隔离度，利用基片集成波导腔体的 TE120和 TE210两种模式的正交特性，通过设计合理的馈电区域和耦合区域，即可实现在共用一个馈电腔体的同时，两个端口保持较好的隔离度。图 3 给出了基片集成波导馈电腔体中 TE120和TE210模式的电场强度分布，其中，P1和 P2分别表示端口 1 和端口 2 的馈电区域，C1和 C2分别表示馈电腔体和两个辐射腔体的耦合区域。从图中可以看到，TE120模式的电场强度在 P1和 C1两处均较强，而在 P2和 C2处的电场强度很弱，几乎接近于零。而 TE210模式的电场强度与 TE120模式的情况恰好相反，其在 P2和 C2两处较强，而在 P1和 C1处的电场强度很弱。因此，当把端口 1 置于 P1处时，TE120模式能被有效激励，但 TE210模式不能被激励，因为其在 P1处的电场强度接近零，这时通过在 C1处的耦合窗口，电磁能量可以有效地耦合到高频辐射腔，从而形成高频通带。类似地，当把端口 2 置于 P2处时，TE210模式能被有效激励，但 TE120模式不能被激励，通过在 C2处的耦合窗口，电磁能量可以有效地耦合到低频辐射腔体，从而形成低频通带。基片集成波导腔体工作在TEmn0模式时，其谐振频率fmn0根据腔体尺寸与模式谐振频率之间的关系计算得到，此关系为：220TE0effeff2mnrcmnfwl=+（1）式中：r为介质基板的介电常数，m和n分别为沿宽度和长度方向的模式数，weff和leff为 SIW 结构的等效宽度和长度。weff和leff的定义如下：2eff0.95dwwp=+（2）2eff0.95dllp=+（3）式中：w为腔体宽边两行圆孔之间的中心距，l为腔体长边两列圆孔之间的中心距，d为圆孔的直径，p为相邻圆孔的圆心距。（a）TE120模式 （b）TE210模式图 3 基片集成波导馈电腔体中两个正交模式电场强度的分布假定腔体的长度小于宽度（即lw），通过式（1）可以得到f210f120。由于以上两个馈电端口位置导致 TE220不能被有效激励，但 TE310能被激励，因此，为了避免 TE310模式对高频通带形成干扰，在设计时，通过调整 SIW 腔体宽度和长度的比例来使TE310模式的谐振频率大于TE120模式的谐振频率，也即f210f120f310，带入式（1）可以得到 SIW 馈电腔体宽度与长度之比的范围为：()effeff18 3wl，（4）根据模式谐振频率的计算公式，TE120模式与TE210模式谐振频率之比A为：222effeffeffeff120222210effeffeffeff1214=214wwllfAfwlwl+=+（5）将式（4）代入式（5）可以得到频比的范围为：()7 2A 1，（6）由式（6）可知，通过改变 SIW 双模馈电腔体的尺寸可以控制两个通带的频比。本文所提的基片集成波导正交极化双工滤波天线设计的两个工作频段分别位于 5G 的 n77 频段和 n79 频段，使用的中心频率分别为 3.8 GHz 和 4.5 GHz，则其频比约为：1212通信技术2023 年 A=4.5/3.8 1.18（7）由此反推得到 SIW 馈电腔体等效宽度与等效长度之比为：weff/leff 1.36（8）再利用式（2）和式（1）可以得到 SIW 馈电腔体的宽度为w=46 mm，长度为l=34 mm。两个用于辐射的单模腔体采用的均是工作于TE110模式的正方形腔体，其初步尺寸可以直接根据式（1）得到l1=22 mm，l2=28 mm。表 1 中所示尺寸为最终仿真优化后的尺寸，其中个别尺寸会和初始尺寸有少量偏差。基片集成波导正交极化双工滤波天线的耦合拓扑结构如图 4 所示，当端口 1 激励时，SIW 馈电腔体中的 TE120模式被有效激励，通过感性窗口，电磁能量耦合到高频单模辐射腔中，激励 TE110模式，并通过细缝将电磁能量辐射到自由空间，从而形成高频通带。类似地，当端口 2 激励时，SIW 馈电腔体中的 TE210模式被有效激励，电磁能量通过感性窗口耦合到低频单模辐射腔中，激励 TE110模式，并通过细缝将电磁能量辐射到自由空间，从而形成低频通带。因此，利用 SIW 馈电腔体中 TE120和 TE210模式的正交特性，采取图中的耦合拓扑结构能成功实现具有良好端口隔离度的小型化 SIW 双工滤波 天线。S1S2111223L1L2源/负载谐振模式高频通带低频通带11：TE120，12：TE2102：TE1103：TE110图 4 正交极化双工滤波天线的耦合拓扑3 仿真结果与分析图 5 给出了基片集成波导正交极化双工滤波天线的反射系数和传输系数。从反射系数的结果可以看到，高频和低频两个通带内均有明显的谐振点，且在阻带范围内反射系数均接近 0 dB，其中：低频通带的-10 dB 带宽范围为 3.773.83 GHz，分数带宽约为 1.6%；高频通带的-10 dB 带宽范围为4.464.54 GHz，分数带宽为 1.8%。从传输系数的结果可以看出，两个端口之间的隔离度在低频通带内超过 26 dB，在高频通带内超过 20 dB。图 6 给出了分别激励端口 1 和端口 2 时天线在边射方向上可实现增益的仿真结果。可以看到通带1 具有平坦的增益，通带 2 则稍差。由于滤波特性的引入，两个通带的增益曲线都具有很好的频率选择和带外抑制特性。当端口 2 激励时，仿真的边射方向最大可实现增益为 3.83 dBi，并且增益在低频带外迅速衰减至-14 dBi 以下。当端口 1 激励时，边射方向的最大可实现增益为 3.76 dBi，增益在两侧带外均迅速衰减至-15 dBi 以下。S22S参数/dBS12S11图 5 正交极化双工滤波天线散射参数的仿真结果1213第 56 卷第 10 期慕文静，严小黑：基于基片集成波导双模腔体的正交极化双工滤波天线 10 0-10相对增益/dBi-20-303.03.54.04.55.0频率/GHz端口 1 激励端口 2 激励图 6 天线在边射方向上可实现增益的仿真结果图 7 给出了端口 2 激励时天线在 3.8 GHz 处的归一化二维方向图。在3.8 GHz处，从E面（xOz面）和H面（yOz面）的方向图可以看出，天线具有较好的边射特性，两个面均具有较低的交叉极化水平。具体地，在E面上，主极化方向图的半功率波束宽度为 80.2；在H面上，主极化方向图的半功率波束宽度为 115.6。两个面上的交叉极化水平在边射方向上均小于-20 dB。天线在E面上的最大辐射方向稍偏离z轴，这是由于有少量能量从高频通带辐射出来所致。图 8 给出了端口 1 激励时天线在 4.5 GHz 处的归一化二维方向图。在4.5 GHz处，从E面（yOz面）和H面（xOz面）的方向图可以看出，天线具有较好的边射特性，两个面均具有较低的交叉极化水平。具体地，在E面上，主极化方向图的半功率波束宽度为 70.4，H面上，主极化方向图的半功率波束宽度为 112.8，两个面上的交叉极化水平在边射方向上均小于-20 dB。同样的，天线在E面上的最大辐射方向稍偏离z轴，这是由于有少量能量从低频通带辐射出来所致。（a）xOz面 （b）yOz面图 7 端口 2 激励时，天线在 3.8 GHz 处的方向图 （a）yOz面 （b）xOz面图 8 端口 1 激励时，天线在 4.5 GHz 处的方向图1214通信技术2023 年为了更为直观地理解基片集成波导正交极化双工滤波天线的物理机制，图 9 给出了在分别激励端口 1 和端口 2 时，馈电腔体和辐射腔体中的电场强度分布。当端口 2 激励时，馈电腔体中的 TE210模式和低频辐射腔体的 TE110模式被有效激励，使整个天线工作在低频通带。而当端口 1 激励时，馈电腔体中的 TE120和低频辐射腔体的 TE110模式被激励起来，从而使天线工作在高频通带。（a）端口 2 激励 （b）端口 1 激励图 9 馈电腔体和辐射腔体的电场强度分布表 2 中给出了所提出的 SIW 正交极化双工滤波天线与之前发表的相关的 SIW 双工天线在性能上的对比。从表中可以得到，与其他文献所提出的不具备滤波功能的双工 SIW 天线的性能相比，本文所提出的 SIW 双工滤波天线在保持较低剖面高度的情况下，两个通带具备正交极化关系，并且具有较好的辐射性能。相比于文献 15 中同样具备滤波功能的SIW 双工滤波天线，本文提出的 SIW 正交极化双工滤波天线通过共用双模馈电腔体，可以有效缩减了电路的横向尺寸，提升了两个通带内的可实现增益，并实现了两个通带的正交极化关系，进一步提高了两个通带的隔离度。表 2 本文所提 SIW 正交极化双工滤波天线与部分之前报道的 SIW 双工天线的对比文献滤波响应相对增益/dBi 相对带宽/%极化方向10No4.3/4.22.1/2.4相同11No3.56/5.241.93/2.68相同12No5.75/5.951.32/1.46相同15Yes2.65/2.73.6/4.5相同本设计Yes3.83/3.761.6/1.8正交4 结 语本文利用基片集成波导设计了一款正交极化双工滤波天线，其由两级谐振腔构成：第一级双模腔体作为馈电腔体，实现双工和第一级滤波的作用；开细缝的单模腔体作为辐射腔体，实现天线辐射和第二级滤波的作用。通过收发缝隙天线的正交放置，实现它们之间的正交极化关系，提高了它们之间的隔离度。仿真结果表明：低频通带的-10 dB 带宽范围为 3.773.83 GHz，分数带宽约为 1.6%；高频通带的-10 dB 带宽范围为 4.464.54 GHz，分数带宽为 1.8%。两个端口之间的隔离度在低频通带内超过 26 dB，在高频通带内超过 20 dB。两个通带的增益曲线都具有很好的频率选择和带外抑制特性。天线在两个中心频率处均具有很好的边射特性及较低的交叉极化水平。本文将天线、双工器和滤波器一体化集成设计，不仅使系统体积大为减小、重量大为减轻，还可以提高信号的传送效率，提升系统整体的通信质量，具有一定的研究应用价值。参考文献：1 HU K Z,TANG M C,LI D J,et al.Design of compact,single-layered substrate integrated waveguide filtenna with parasitic patchJ.IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2020,68(2):1134-1139.2 LIU Q W,ZHU L,WANG J P,et al.A wideband patch and SIW cavity hybrid antenna with filtering responseJ.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2020,19(5):836-840.3 LIU X,ZHANG X F,XU K,et al.A filtering antenna with high frequency selectivity using stacked 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