高选择性双频段SIW滤波天线的独立可控设计与性能研究

《IEEE Open Journal of Antennas and Propagation》：Dual-Band SIW Filtering Antenna With High Selectivity and Individually Adjustable Bands

本文推荐一种新型双频段基片集成波导(SIW)滤波天线设计，通过正交双模矩形腔体与圆形贴片谐振器的混合电磁耦合，实现了9.6/11.8 GHz双频段独立可控操作。该结构采用九金属化过孔和双层铜箔支撑技术，在低频段获得11.3 dBi增益(6%带宽)，高频段达12 dBi增益(6.8%带宽)，交叉极化抑制优于-40 dB，解决了多频段天线选择性差和增益不稳定的技术难题，为微波通信系统提供了高性能硬件解决方案。

　　

随着5G/6G通信技术的快速发展，频谱资源日益紧张，多频段滤波天线成为提升频谱利用率的关键器件。传统滤波天线面临选择性不足、增益波动大、频段间相互干扰等技术瓶颈，特别是在毫米波频段，如何实现高增益、高隔离度的多频段操作成为行业痛点。现有SIW滤波天线虽具有低损耗优势，但多频段独立调控能力不足，且增益稳定性与带外抑制性能难以兼顾。

针对这一挑战，信阳师范学院龚可团队在《IEEE Open Journal of Antennas and Propagation》发表最新研究，提出一种具有高选择性和稳定增益的双频段SIW滤波天线。该设计创新性地采用正交双模矩形SIW腔体作为公共谐振结构，通过混合电磁耦合与金属化过孔技术，实现了双频段的独立调控和辐射零点的精准引入。

关键技术方法包括：1）采用TE₁₂₀/TE₂₁₀正交模矩形SIW腔体实现双频段激励；2）通过环形缝隙与圆形贴片谐振器的混合电磁耦合产生高频带辐射零点；3）利用九金属化过孔阵列产生低频带辐射零点；4）采用金属柱支撑的双层铜箔结构增强增益稳定性。天线尺寸为2.8λ_g×3.6λ_g，使用介电常数2.2的RP220B基板。

天线配置与演化分析

通过三种天线结构对比验证设计演进：Ant.I采用基本SIW腔体实现双频段三阶响应，但存在TE₁₃₀模抑制不足问题；Ant.II引入圆形贴片混合耦合和金属化过孔，显著提升带外抑制；Ant.III增加双层金属结构，使辐射零点更贴近通带，增益稳定性提高11.3-12 dBi。仿真显示三反射零点特征明显，史密斯圆图呈现双环结构，证实三模谐振。

天线模式与参数分析

电场分布显示低频段（9.23/9.39/9.62 GHz）以TE₂₁₀和TM₁₁₀模为主，高频段（11.46/11.75/12.05 GHz）以TE₂₁₀模主导。参数a₅和d₅分别独立调控低/高频段性能，验证双频段独立可控性。金属柱高度h=2 mm时方向性最优，第二层贴片半径R₃=11-12 mm时外部品质因数Q_EXT稳定。

辐射零点机理

低频段辐射零点由九金属化过孔两侧反向电流分布产生，高频段零点源于矩形谐振器与圆形贴片的混合电磁耦合。等效电路模型表明，当f<>₀时等效为磁耦合，f>f₀时等效为电耦合，通过调节耦合强度可控制零点位置。

实验验证

实测结果与仿真高度吻合，低频段（9.6 GHz）回波损耗<-15 dB，增益11.3 dBi，辐射效率>90%；高频段（11.8 GHz）增益提升至12 dBi，交叉极化抑制<-40 dB。归一化方向图显示稳定的E面/H面辐射特性，验证了设计可靠性。

该研究通过创新性的结构设计，成功解决了多频段滤波天线选择性、增益稳定性和频段独立控制之间的平衡难题。相比现有技术，天线在保持90%以上辐射效率的同时，实现了带外抑制增强和交叉极化优化，为毫米波通信系统提供了高性能硬件平台。未来可进一步探索该结构在多频段MIMO系统中的应用潜力。