余 晨 洪 偉 周健義

（東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210096）

引 言

將射頻濾波器和天線進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)實(shí)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(shí)濾波天線可有效地抑制工作頻帶外的雜散信號(hào)。一些文獻(xiàn)已對(duì)此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了研究［1－4］，但是，這些文獻(xiàn)中的濾波器或輻射部分，結(jié)構(gòu)復(fù)雜或由開(kāi)放型傳輸線構(gòu)成，在Ku波段的插入損耗較大、寄生輻射較強(qiáng)。

基片集成波導(dǎo)（SIW）作為一種平面導(dǎo)波技術(shù)［5－7］得到了越來(lái)越廣泛的運(yùn)用。SIW具有低成本、低剖面、重量輕、易集成、易制作的特點(diǎn)。很多研究結(jié)果展示了基于SIW結(jié)構(gòu)的濾波器和縫隙天線的研究成果［8－13］，這些SIW 無(wú)源器件具有品質(zhì)高、損耗低的特點(diǎn)。文獻(xiàn)［14］－［18］中報(bào)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(jié)構(gòu)。

在國(guó)家重大專項(xiàng)支持下，設(shè)計(jì)、制作并測(cè)量了基于SIW結(jié)構(gòu)的工作在Ku波段的全向?yàn)V波天線，用于Ku波段頻分復(fù)用（FDD）無(wú)線通信系統(tǒng)。將SIW結(jié)構(gòu)的濾波器和輻射縫隙陣列集成在一個(gè)SIW傳輸線中，可以減少電路損耗、提高天線效率、簡(jiǎn)化天線結(jié)構(gòu)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明：全向?yàn)V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(hào)，只有通過(guò)濾波器的信號(hào)才能激勵(lì)輻射單元。工作在相鄰波段的全向?yàn)V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(gè)全向?yàn)V波天線的輻射特性與獨(dú)立全向?yàn)V波天線基本保持一致。

1.全向?yàn)V波天線陣列設(shè)計(jì)

1.1 SIW縫隙輻射陣列

SIW是由介質(zhì)基片上的兩排金屬化通孔構(gòu)成，如圖1所示。SIW具有類似傳統(tǒng)介質(zhì)填充矩形波導(dǎo)的傳播特性，SIW縫隙輻射單元具有類似傳統(tǒng)介質(zhì)填充矩形波導(dǎo)縫隙輻射單元輻射特性。采用SIW縱向雙面8對(duì)縫隙作為全向?yàn)V波天線的輻射部分，實(shí)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(shí)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(duì)稱縫隙陣列可實(shí)現(xiàn) E 面（x－z平面）全向輻射特性。圖1中所有縫隙的長(zhǎng)度、寬度和偏離SIW中線的位置均一致。

圖1 SIW全向?yàn)V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(gòu)成寬度為Wfi（i＝1，2）的感性窗口和長(zhǎng)度為L(zhǎng)fi（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(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)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(zhǎng)度［6］

式中：WSIW和Lf分別是SIW諧振腔的寬度和長(zhǎng)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(shí)，以上等效公式足夠精確。

1.3 SIW全向?yàn)V波天線

文章設(shè)計(jì)、仿真并測(cè)量了Ku波段SIW全向?yàn)V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(gè)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(wù)FDD系統(tǒng)的上、下行鏈路各100MHz帶寬的要求。設(shè)計(jì)采用微帶線－SIW轉(zhuǎn)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(zhì)基材。

工作在13.6GHz的SIW全向?yàn)V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?yàn)V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(cè)試結(jié)果

2.1 獨(dú)立全向?yàn)V波天線

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

圖5是兩個(gè)波段全向?yàn)V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(cè)量結(jié)果。兩個(gè)全向?yàn)V波天線的E面波動(dòng)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(cè)量在微波暗室中完成。

表1給出了兩個(gè)波段全向?yàn)V波天線分別在13.6GHz和14.4GHz的實(shí)測(cè)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?yàn)V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(shí)SIW全向?yàn)V波天線實(shí)物

表1 全向天線與全向?yàn)V波天線實(shí)測(cè)增益

在圖6所示的測(cè)量場(chǎng)景中測(cè)量了全向?yàn)V波天線的傳輸特性。將兩個(gè)完全一致的全向?yàn)V波天線，分別與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀端口1和2相接。圖7給出了兩個(gè)波段全向?yàn)V波天線傳輸特性｜S21｜的測(cè)量結(jié)果，并和具有圖2所示結(jié)構(gòu)、采用微帶線－SIW轉(zhuǎn)接器饋電、尺寸與全向?yàn)V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?yàn)V波天線的傳輸特性具有明顯的濾波特性。

2.2 全向?yàn)V波天線多天線陣列

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

將圖8中的全向?yàn)V波天線1（工作在13.6GHz波段）和全向?yàn)V波天線2（工作在14.4GHz波段）分別與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口1和2相連，測(cè)得兩個(gè)波段全向?yàn)V波天線的隔離度，如圖10所示。同時(shí)測(cè)量了兩個(gè)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?yàn)V波天線的輻射部分具有相同尺寸。兩個(gè)波段全向?yàn)V波天線的實(shí)測(cè)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?yàn)V波天線1和2的實(shí)測(cè)方向圖。全向?yàn)V波天線1的E面波動(dòng)小于3.3 dB，全向?yàn)V波天線2的E面波動(dòng)小于3dB，基本保持了單個(gè)濾波天線的全向輻射特性。

圖11 全向?yàn)V波天線1和2實(shí)測(cè)方向圖

圖12給出了多天線陣列中兩個(gè)波段相鄰全向?yàn)V波天線的實(shí)測(cè)互耦，小于－35dB.

圖12 多天線陣列中相鄰全向?yàn)V波天線互耦

3.結(jié) 論

文中設(shè)計(jì)、制作并測(cè)量了工作在兩個(gè)波段的SIW縫隙全向?yàn)V波天線。全向?yàn)V波天線可以有效地抑制帶外雜散信號(hào)。兩個(gè)波段的全向?yàn)V波天線隔離度良好，可以用于FDD系統(tǒng)的收、發(fā)信道。多個(gè)全向?yàn)V波天線組成的多天線系統(tǒng)，可采用標(biāo)準(zhǔn)印制線路板（PCB）工藝，集成在一塊介質(zhì)上，具有易制作、易集成、成本低的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)多天線系統(tǒng)中的單個(gè)濾波天線保持了獨(dú)立濾波天線的全向輻射特性。

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