基片集成波導(dǎo)全向?yàn)V波天線多天線陣列

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。

［1］BLONDEAUX H，BAILLARGEAT D，LEVEQUE P，et al.Microwave device combining filtering and radiating functions for telecommunication satellites［C］／／2001IEEE MTT－S International Microw.Symposium，2001，1：137－140.

［2］FROPPIER B，MAHE Y，CRUZ E M，et al.Integration of a filtering function in an electromagnetic horn［C］／／Proc.33rd Eur Microw.Conf.，2003，3：939－942.

［3］ZUO Jianhong，CHEN Xinwei，HAN Guorui，et al.An integrated approach to RF antenna－filter co－design［C］／／IEEE Antennas Wireless Propagat. Lett.，2009，8：141－144.

［4］HIZAN H M，HUNTER I C，ABUNJAILEH A I.Integrated SIW filter and microstrip antenna［C］／／Proc.40rd Eur.Microw.Conf.Paris，2010：184－187.

［5］DESLANDES D，WU K.Integrated microstrip and rectangular waveguide in planar form［J］.IEEE Microwave Wireless Compon.Lett.，2011，11（2）：68－70.

［6］XU Feng，WU Ke.Guided－wave and leakage characteristics of substrate integrated waveguide［J］.IEEE Trans.Microwave Theory Tech.，2005，53（1）：66－73.

［7］YAN Li，HONG Wei.Investigations on the propagation characteristics of the substrate integrated waveguide based on the method of lines［J］.IEE Proc.Microwaves Antennas Propag.，2005，125（1）：35－42.

［8］CHEN Xiaoping，HONG Wei，CUI Tiejun，et al.Substrate integrated waveguide elliptic filter with transmission line inserted inverter［J］.Electronics Letters，2005，41（15）：581－582.

［9］HAO Zhangcheng，HONG Wei，LI Hao，et al.A Broadband Substrate Integrated Waveguide（SIW）Filter［C］／／IEEE AP－S International Symposium.Washington D C，2005，1B：598－601.

［10］TANG Hongjun，HONG Wei，CHEN Jixin，et al.Development of millimeter－wave planar diplexers based on complementary characters of dual－mode substrate integrated waveguide filters with circular and elliptic cavities［J］.IEEE Trans Microw Theory Tech，2007，55（4）：776－782.

［11］YAN Li，HONG Wei，HUA Guang，et al.Simulation and experiment on SIW slot array antennas［J］.IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2004，14（9）：446－448.

［12］徐俊峰，洪 偉，蒯振起，等.平衡饋電基片集成波導(dǎo)縫隙陣列全向天線［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，23（2）：207－300.XU Junfeng，HONG Wei，KUAI Zhenqi，et al.Substrate Integrated Waveguide（SIW）slot array omnidirectional antenna with balanced feeding［J］.Chinese Journal of Radio Science，2008，23（2）：207－300.（in Chinese）

［13］陳 鵬，洪 偉，蒯振起，等.低副瓣基片集成波導(dǎo)縫隙陣圓極化天線［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，24（3）：400－405.CHEN Peng，HONG Wei，KUAI Zhenqi，et al.Low side lode SIW slot array circular polarized antenna［J］.Chinese Journal of Radio Science，2009，24（3）：400－405.（in Chinese）

［14］余 晨，洪 偉，翟國(guó)華，等.基片集成波導(dǎo)混合功率分配器饋電對(duì)數(shù)周期天線［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，26（3）：437－442.YU Chen，HONG Wei，ZHAI Guohua，et al.SIW hybrid power divider fed periodic antenna array［J］.Chinese Journal of Radio Science，2011，26（3）：437－442.（in Chinese）

［15］CHEN Peng，HONG Wei，KUAI Zhenqi.Substrate integrated waveguide fed printed dipole array antenna for isolation the RF front－end from the antenna［C］／／Microwave and optical technology letters，2009，51：557－562.

［16］XU Junfeng，HONG Wei，CHEN Peng，et al.Design and implementation of low sidelobe substrate integrated waveguide longitudinal slot array antennas［J］.IET Microwaves Antennas Propagat.，2009，3（5）：790－797.

［17］ZHAI Guohua，HONG Wei，WU Ke，et al.Wide band substrate integrated printed log－periodic dipole array antenna［J］.IET Microwaves Antennas Propagat.，2010，4（7）：899－905.

［18］CHENG Jujian，HONG Wei，WU Ke.Millimetrewave monopulse antenna incorporating substrate integrated waveguide phase shifter［J］.IET Microwaves Antennas Propagat.，2008，2（1）：48－52.

［19］MLIILGAM T S.Modern Antenna Design［M］.2nd ed，New York：Wiley，2005.

［20］POZAR D M.Microwave Engineering［M］.3rd ed，New York：Wiley，2004.

［21］CST Microwave Studio，User Manual［M］5th ed.Germany：CST GmbH，Darmstadt，2004.