一种宽带全金属腔背衬滤波槽天线

提出了一种宽带全金属腔背衬滤波槽天线。波导内金属壁上的矩形孔可以视为一个并联LC谐振电路，这个电路可以产生一种谐振，称为谐振孔模式。通过级联多个带有谐振孔的金属壁层，可以实现带通滤波响应。当金属壁顶层的谐振孔被重新用作辐射槽时，就可以实现一个滤波天线。通过修改相邻谐振孔之间的距离，可以轻松控制耦合强度。减小两个谐振孔之间的距离，可以获得更大的耦合强度，从而实现更宽的带宽和更低的轮廓。为了验证该设计，本文设计、分析并仿真了基于谐振孔模式的二阶和四阶滤波天线。第四阶滤波天线的原型被制作出来，实验结果表明，该天线能够实现70%的带宽，并且具有良好的滤波性能和稳定的辐射模式。此外，整个工作频段的总效率高于90%。仿真与测量结果之间的良好一致性充分验证了所提设计概念的可行性。

一、谐振孔模式的实现

在矩形波导中，沿x轴方向的孔径可以视为并联电容负载，因为它显著影响了电场，并在局部产生存储的电能；而沿y轴方向的孔径则被视为并联电感负载，因为其提供了额外的电流路径，导致孔径内出现新的纵向磁场并增加局部存储的磁能。因此，如果孔径的长度（沿x轴）和宽度（沿y轴）都小于矩形波导的边长，这个孔径就可以看作一个并联LC谐振电路。

这种类型的孔径可以在矩形波导中产生一种共振，称为“谐振孔模式”

A. 基于谐振孔模式的CBSA

谐振孔模式已被用于设计与腔体模式合作的宽带增强槽天线。然而，由于同时利用了腔体模式，它们的带宽被限制在20%以内。本文的研究重点是仅利用谐振孔模式的天线设计，旨在实现具有更宽滤波带宽的新型槽天线。下图展示了基于谐振孔模式的CBSA配置。带有金属腔背衬的辐射槽可以产生谐振孔模式。由于槽的一侧向自由空间开放，该槽也作为辐射槽来辐射谐振孔模式的能量。

一般来说，如果槽的长边沿y轴方向，谐振孔模式将由TE10模式激发。在所提出的设计中，谐振孔模式通过沿y轴延伸的馈电端口激励，如下图所示。这种馈电方法可以在天线测量期间省略标准矩形波导端口的使用。

B. 二阶带宽增强滤波槽天线

随后，利用谐振孔模式设计了一种宽带腔背衬滤波槽天线。微波滤波器的基本设计方法是通过级联多个谐振器来获得滤波性能。因此，首先将两个谐振孔模式级联起来，实现一个二阶滤波槽天线，其配置下图所示。这两个谐振孔模式由两层带有槽的金属壁（Layer-1和Layer-2）产生。Layer-2上的槽还作为辐射槽使用。

二阶滤波天线的等效电路模型上图所示，其中C_i和L_i表示第i个谐振孔模式的LC谐振电路模型；C_f表示馈电结构的激励电容；C_ij表示第i个和第j个谐振器之间的耦合电容；R_r表示辐射电阻。

根据滤波器设计理论，谐振器之间的耦合强度用于调整带宽。在这个滤波天线中，两个谐振孔之间的耦合强度主要由它们之间的距离h_1控制。下图显示了不同h_1值时模拟得到的S11参数，表明较小的h_1可以产生更宽的带宽，并且还可以使天线的外形更低矮。

C. 四阶宽带滤波槽天线

根据谐振器的衰减特性，通过级联更多的谐振器可以获得更好的选择性。此外，通过适当调整谐振器之间的耦合强度，级联更多的谐振器还可以获得更宽的带宽。因此，为了进一步提高带宽和滤波性能，提出了并设计了一种四阶滤波槽天线。

R. -S. Chen et al., "Wideband Full-Metal Cavity-Backed Filtering Slot Antenna Based on Resonant-Iris Mode," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 72, no. 11, pp. 8828-8833, Nov. 2024, doi: 10.1109/TAP.2024.3434405.