Integration of Second-Order Bandstop Filter Into a Dual-Polarized 5G Millimeter-Wave Magneto-Electric Dipole Antenna

📄 arXiv: 2312.09996v1 📥 PDF

作者: Jiangcheng Chen, Markus Berg, Kimmo Rasilainen, Zeeshan Siddiqui, Marko E. Leinonen, Aarno Pärssinen

分类: eess.SY

发布日期: 2023-12-15

💡 一句话要点

提出集成二阶带阻滤波器的双极化5G毫米波磁电偶极子天线

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 毫米波天线 双极化天线 磁电偶极子 带阻滤波器 5G通信

📋 核心要点

  1. 现有毫米波天线设计在抑制带外干扰和实现紧凑尺寸方面存在挑战。
  2. 通过将二阶带阻滤波器集成到磁电偶极子天线中，实现带外抑制和紧凑设计。
  3. 实验结果表明，该天线具有良好的隔离度、辐射方向图和带阻性能。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种用于24.25-29.5 GHz和37-43.5 GHz毫米波应用的双宽带差分馈电双极化磁电（ME）偶极子天线，该天线集成了二阶带阻滤波。在不干扰互补天线操作的情况下，将两种谐振器类型（发夹型和耦合的λ/4开路/短路短截线谐振器）嵌入到宽带ME偶极子中，以产生两个传输极点和两个零点，从而实现尖锐的带边选择性。这允许独立地操纵传输极点和零点，并实现紧凑的ME偶极子尺寸。在整个工作频带内，对称滤波天线设计具有超过31.6 dB的端口隔离度。测量结果表明，E面和H面辐射方向图对称，交叉极化电平低于-25.1 dB。单个元件和2x2阵列的测量增益分别为8.3 dBi和12.5 dBi。此外，单元件和阵列的带阻分别达到23.7 dB和21.8 dB。

🔬 方法详解

问题定义：毫米波通信对天线的性能提出了更高的要求，尤其是在5G应用中。现有天线设计在实现宽带工作的同时，往往难以兼顾带外干扰的抑制和天线的紧凑尺寸。传统的滤波器设计可能会增加天线的整体尺寸和复杂性，并且可能影响天线的辐射特性。因此，需要一种能够有效抑制带外干扰，同时保持天线尺寸紧凑且性能优良的设计方案。

核心思路：本文的核心思路是将二阶带阻滤波器集成到双极化磁电（ME）偶极子天线中。通过在天线结构中嵌入谐振器，产生传输极点和零点，从而实现带外信号的有效抑制。这种集成设计可以在不显著增加天线尺寸的情况下，提高天线的选择性和抗干扰能力。

技术框架：该天线设计采用差分馈电的双极化ME偶极子结构。为了实现带阻滤波功能，在天线中嵌入了两种类型的谐振器：发夹型谐振器和耦合的λ/4开路/短路短截线谐振器。这些谐振器的参数经过精心设计，以在目标频段内产生所需的传输极点和零点。通过调整谐振器的位置和尺寸，可以独立地控制传输极点和零点的位置，从而优化带阻滤波器的性能。

关键创新：该论文的关键创新在于将二阶带阻滤波器与双极化ME偶极子天线进行集成，实现了紧凑的带外抑制设计。与传统的分立滤波器方案相比，这种集成设计可以减小天线的整体尺寸，并降低插入损耗。此外，通过采用两种不同类型的谐振器，可以更灵活地控制带阻滤波器的性能，从而满足不同的应用需求。

关键设计：谐振器的具体参数（如长度、宽度、间距等）需要通过电磁仿真进行优化，以实现所需的谐振频率和阻抗匹配。此外，差分馈电的设计可以提高天线的隔离度，并改善共模抑制比。在实际设计中，需要仔细考虑谐振器与天线之间的耦合强度，以避免对天线的辐射特性产生不利影响。

📊 实验亮点

实验结果表明，该天线在24.25-29.5 GHz和37-43.5 GHz频段内具有良好的性能。端口隔离度超过31.6 dB，交叉极化电平低于-25.1 dB。单个元件的增益为8.3 dBi，2x2阵列的增益为12.5 dBi。单元件和阵列的带阻分别达到23.7 dB和21.8 dB，表明该天线具有良好的带外抑制能力。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于5G毫米波通信系统，特别是在需要高隔离度和抗干扰能力的场景中，例如基站天线、移动终端天线和无线回传链路。该天线设计的小型化和高性能特性使其在空间受限的应用中具有优势，并有助于提高无线通信系统的可靠性和性能。

📄 摘要（原文）

This communication proposes a dual-wideband differentially fed dual-polarized magnetoelectric (ME) dipole with second-order bandstop filtering for millimeter-wave (mm-Wave) applications at 24.25-29.5 GHz and 37-43.5 GHz. Without disturbing the complementary antenna operation, two resonator types (hairpin and coupled λ/4 open-/short-circuited stub resonators), are embedded into the wideband ME dipole to create two transmission poles and two zeros for sharp band-edge selectivity. This allows independent manipulation of the transmission poles and zeros and a compact ME dipole size. Across the operating band, the symmetric filtering antenna design has more than 31.6 dB of port-to-port isolation. Measured results show symmetrical E- and H-plane radiation patterns and cross-polarization levels lower than -25.1 dB. The measured gains of the single element and a 2x2 array are 8.3 dBi and 12.5 dBi, respectively. Also, the band rejection reaches 23.7 dB and 21.8 dB for single element and array, respectively.