CN108923126A - 一种基于基片集成波导的四模具有双零点的滤波天线 - Google Patents

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赵德浩
白峻恺
王青
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Abstract

本发明公开了一种基于基片集成波导的四模具有双零点的滤波天线，属于滤波天线技术领域，由上层金属表面、第一介质基板、中间两个金属圆片、第二介质基板和下层金属底面组成，包括第一矩形的双模基片集成波导谐振腔和第二矩形的双模基片集成波导谐振腔；所述第二矩形的双模基片集成波导谐振腔内设有一个横向槽作为缝隙辐射天线；第一矩形的双模基片集成波导谐振腔和第二矩形的双模基片集成波导谐振腔采用直接耦合的方式级联在一起形成所述基于基片集成波导的四模具有双零点的滤波天线；所述基于基片集成波导的四模具有双零点的滤波天线的馈电方式采用共面波导馈电，且采用阶梯形式进行阻抗匹配。

Description

一种基于基片集成波导的四模具有双零点的滤波天线
技术领域
本发明属于滤波天线技术领域，特别涉及一种基于基片集成波导的四模具有双零点的滤波天线，适用于提高滤波天线的选择性和带外抑制、实现整个滤波天线的尺寸小型化以及实现滤波性能与天线辐射性能的一体化。
背景技术
现代通信模块的快速发展对无线通信系统的各个模块都提出了严格的要求，多功能模块因为其大大减小电路尺寸并且提高系统性能的优点而被视为无线通信系统的重要解决方案目之一；滤波天线是集带通滤波器和天线功能一体化的设备，滤波天线的一种设计方法是将设计好的带通滤波器和具有良好阻抗匹配的天线相连接；另一种设计方法是将带通滤波器的最后一阶谐振器替换为辐射谐振天线，这样既可以省去滤波器与天线之间的过渡匹配，又可以减少整个设备的插入损耗，进而实现集成化、小型化、多功能化。
基片集成波导结构作为一种新型传输微波的结构，除了具有大功率容量和高品质因数的特点，更重要的是拥有良好的高频特性，易于与射频电路集成；多模滤波器是指将多种谐振模式应用于滤波器的腔体中，这种滤波器往往拥有更加紧凑的结构和良好的带外抑制特性；将多模技术与SIW滤波天线相结合，不仅可以使滤波天线更加小型化、集成化，还往往可以引入辐射零点，使整个结构具有更好的选择性。
Peng Kai Li等人在IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS,VOL.17.2018发表的《Codesigned High-Efficiency Single-Layered SubstrateIntegrated Waveguide Filtering Antenna With a Controllable Radiation Null》中公开了一种基于基片集成波导技术的具有一个单侧可调零点的单层缝隙滤波天线，该单侧可调零点的单层缝隙滤波天线由一个单层矩形SIW腔、四个金属化过孔、一个横向槽和一个垂直SMA连接器组成，可以通过控制横向槽的位置实现一个带外零点的可控，从而提高了整个滤波天线的选择性；但不足之处是仅仅在带外实现了一个辐射零点，使得通带的无零点的一侧的选择性不足，另外整个滤波天线的带宽相对过窄。
Ricardo Lovato等人在IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS,VOL.17.2018发表的《A Third-Order SIW-Integrated Filter/Antenna Using TwoResonant Cavities》介绍了一种三阶基于基片集成波导技术的滤波天线，该种三阶基于基片集成波导技术的滤波天线由两个SIW的矩形谐振腔组成，并且在第二个腔体里设计了一个缝隙天线，缝隙天线在槽腔中激发两种模式，实现了一个三阶滤波响应，同时保留该滤波和辐射特性，在滤波天线的带外形成了一个辐射零点，一定程度上增加了选择性；但不足之处也是仅仅在带外实现了一个辐射零点，使得通带的无零点的一侧的选择性不足，另外文中的滤波器的尺寸相对过大。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提出一种基于基片集成波导的四模具有双零点的滤波天线，该种基于基片集成波导的四模具有双零点的滤波天线在其滤波天线的带外首次实现了两个辐射零点，大大提高了滤波天线的选择性和带外抑制；而且设计了一种新型电容式微扰，用于实现整个滤波天线的尺寸的小型化；同时也能够实现滤波性能与天线辐射性能的一体化，使整个结构集成化和多功能化。
为达到上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
一种基于基片集成波导的四模具有双零点的滤波天线由上层金属表面、第一介质基板、中间两个金属圆片、第二介质基板和下层金属底面组成，包括第一矩形的双模基片集成波导谐振腔和第二矩形的双模基片集成波导谐振腔；
所述第二矩形的双模基片集成波导谐振腔内设有一个横向槽作为缝隙辐射天线；
第一矩形的双模基片集成波导谐振腔和第二矩形的双模基片集成波导谐振腔采用直接耦合的方式级联在一起形成所述基于基片集成波导的四模具有双零点的滤波天线；
所述基于基片集成波导的四模具有双零点的滤波天线的馈电方式采用共面波导馈电，且采用阶梯形式进行阻抗匹配。
本发明技术方案的特点和进一步改进为：
(1)所述第一矩形的双模基片集成波导谐振腔采用非中心馈电的方式激励起高次模，并在所述第一矩形的双模基片集成波导谐振腔的腔体中心处设置有一个金属化过孔。
(2)所述第一矩形的双模基片集成波导谐振腔上下壁的位置处分别中心对称加载两个新型的电容式微扰。
(3)所述两个新型的电容式微扰的结构分别由上层环形缝隙、中间圆形金属贴片和下层金属地面组成，上层环形缝隙处设置预设个数的金属化过孔来连接上层环形缝隙、中间圆形金属贴片和下层金属地面。
(4)所述中间圆形金属贴片的半径大于上层环形缝隙的半径。
(5)所述第二矩形的双模基片集成波导谐振腔在其腔体的金属底面设置有一个缝隙天线，并通过窗型耦合的方式与所述第一矩形的双模基片集成波导谐振腔直接耦合到一起。
(6)所述缝隙天线设置在所述第二矩形的双模基片集成波导谐振腔的腔体主模场强最大的位置处。
本发明的有益效果：
第一，本发明解决的问题在于提供一种基于基片集成波导的四模具有双零点的滤波天线，其工作中心频率为5.2GHz，相对带宽为7.7％，工作频段内回波损耗|S11|大于13dB，通带内的实际增益大于5dB，同时通带两侧形成两个辐射零点。
第二，本发明采用了两个矩形SIW腔体级联的方式，第一个矩形腔体内采用非中心馈电的方式并设计利用了一种新型电容式微扰，小型化的同时在通带一侧形成了一个辐射零点；第二个矩形腔体内设计了一个缝隙天线，实现滤波器性能的同时，在通带另一侧形成了一个辐射零点。
第三，本发明能够实现了滤波和天线的一体化，并使结构更加小型化和紧凑，更重要的是在通带两侧引入了两个辐射零点，大大提高了选择性以及带外抑制。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明的一种基于基片集成波导的四模具有双零点的滤波天线的立体模型剖分图；
图2是新型电容式微扰的上层示意图；
图3是新型电容式微扰的中间贴片示意图；
图4是新型电容式微扰的下层示意图；
图5是本发明滤波天线的上层金属表面图；
图6是本发明滤波天线的下层金属表面图；
图7是本发明频率从3-7GHz的回波损耗|S11|仿真结果图，其中横坐标为频率，纵坐标为幅度响应；
图8是本发明频率从3-7GHz的实际增益仿真结果图，其中横坐标为频率，纵坐标为幅度响应；
图9是本发明中心频率在5.1GHz的E面和H面的方向图；
图10是本发明中心频率在5.2GHz的E面和H面的方向图；
图11是本发明中心频率在5.3GHz的E面和H面的方向图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于基片集成波导的四模具有双零点的滤波天线由第一矩形的双模基片集成波导谐振腔和第二矩形的双模基片集成波导谐振腔组成，第一矩形的双模基片集成波导谐振腔和第二矩形的双模基片集成波导谐振腔通过直接耦合的方式级联到一起，同时在第二矩形的双模基片集成波导谐振腔内设有一个横向槽作为缝隙辐射天线；馈电部分采用了共面波导馈电并用阶梯的形式进行阻抗匹配。
本发明的3D视图如图1所示，图1为本发明的一种基于基片集成波导的四模具有双零点的滤波天线的立体模型剖分图；该种基于基片集成波导的四模具有双零点的滤波天线由上层的金属表面、介质基板1、中间两个金属圆片、介质基板2和下层金属地面五部分组成。
本发明的第一矩形的双模基片集成波导谐振腔利用了非中心馈电的方式激励起高次模，在第一矩形的双模基片集成波导谐振腔的腔体中心处嵌入了一个金属化过孔，它的作用是用来提高第一矩形的双模基片集成波导谐振腔的基模的谐振频率；同时在靠近第一矩形的双模基片集成波导谐振腔的腔体上下壁的位置处分别中心对称加载两个新型的电容式微扰，两个新型的电容式微扰的结构相同，分别由上层、中间贴片和下层三部分组成，分别如图2、图3和图4所示，上层是一个环形缝隙，中间是一个圆形金属贴片，圆形金属贴片的半径比上表面的环形缝隙的半径稍大，下层是金属地面，同时用一圈10个金属化过孔在环形缝隙的位置来连接上层、中间贴片和下层；通过两个新型电容式微扰来使一个矩形腔体的高次模的谐振频率降低从而使基模和高次模的谐振频率耦合到一起，同时在通带外侧可以产生一个零点。
本发明的第二矩形的双模基片集成波导谐振腔在背腔(即在第二矩形的双模基片集成波导谐振腔的金属底面)的位置设计了一个缝隙天线，并通过窗型耦合的方式与第一矩形的双模基片集成波导谐振腔直接耦合到一起；其中所述缝隙的位置大致位于第二矩形的双模基片集成波导谐振腔的腔体中心位置(即所在矩形腔体主模场强最大的位置)处；因为缝隙天线的长度略小于所述第二矩形的双模基片集成波导谐振腔的腔体本身宽度，其表面中断的电流是一个足够的扰动来激发内部的两种模式，因此缝隙天线不仅起到了激励两个模式的作用，还起到了作为辐射单元的作用。
本发明所解决的关键问题一是利用第一矩形的双模基片集成波导谐振腔的新型电容式微扰结构和非中心对称馈电的馈电方式激励起两个模式，从而能在通带一侧形成一个辐射零点；另一个是利用第二矩形的双模基片集成波导谐振腔的缝隙天线起到辐射能量的同时也激励起两个模式，从而在通带另一侧形成一个零点；双腔通过直接耦合的方式级联到一起，实现滤波天线一体化的同时，在通带两侧形成两个辐射零点；这样不仅使整个结构更集成化，小型化，而且更重要的是大大提高了滤波天线的选择性和带外抑制。
本发明设计了一个基于基片集成波导的四模具有双零点的滤波天线，介质基板1和介质基板2的材料均为Rogers RT/Duroid 5880(tm)(介电常数为2.2，损耗正切角为0.0009)，厚度为0.5mm；本发明所述滤波天线的上表面如图5所示，下表面如图6所示；其中，L1为对角微扰过孔(金属化过孔)直径，L2为缝隙天线的长度，L3为馈电部分距离谐振腔上壁的距离，W1为第二个矩形谐振腔的有效宽度，W2为缝隙天线的宽度，W3为第一个矩形谐振腔的有效宽度，D1为表面方环缝隙的内径，D2为表面方环缝隙的外径，D3为本发明第一个矩形腔体的中心金属化过孔直径。
该基于基片集成波导的四模具有双零点的滤波天线的具体尺寸为L1＝49mm，
L2＝32.5mm，L3＝14.25mm，W1＝23.5mm，W2＝7.2mm，W3＝27.5mm,D1＝4mm,D2＝8mm,D3＝1mm。
在电磁仿真软件HFSS里建立该滤波天线模型进行仿真，仿真结果的回波损耗|S11|如图7所示，实际增益如图8所示；由图7和图8可知，本发明的滤波天线的带宽为0.4GHz，在通带内|S11|均大于13dB，在通带内天线的实际增益均大于5dB。
本发明的滤波天线的性能良好，且在滤波天线的通带两侧形成了两个辐射零点，具有很好的选择性和带外抑制；图9、图10、图11分别为本发明的滤波天线在5.1GHz、5.2GHz、5.3GHz的E面和H面的方向图，从图9、图10、图11中可以看到，本发明的滤波天线的增益以及方向性等天线性能良好。
本发明的技术方案采用采用了第一矩形的双模基片集成波导谐振腔和第二矩形的双模基片集成波导谐振腔级联的方式，第一矩形的双模基片集成波导谐振腔的腔体内采用非中心馈电的方式，并设计利用了一种新型电容式微扰，小型化的同时在通带一侧形成了一个辐射零点；第二矩形的双模基片集成波导谐振腔的腔体内设计了一个缝隙天线，实现滤波器性能的同时，在通带另一侧形成了一个辐射零点。本发明实现了滤波和天线的一体化，并使结构更加小型化和紧凑，更重要的是在通带两侧引入了两个辐射零点，大大提高了选择性以及带外抑制。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于基片集成波导的四模具有双零点的滤波天线，其特征在于，所述基于基片集成波导的四模具有双零点的滤波天线由上层金属表面、第一介质基板、中间两个金属圆片、第二介质基板和下层金属底面组成，包括第一矩形的双模基片集成波导谐振腔和第二矩形的双模基片集成波导谐振腔；
所述第二矩形的双模基片集成波导谐振腔内设有一个横向槽作为缝隙辐射天线；
第一矩形的双模基片集成波导谐振腔和第二矩形的双模基片集成波导谐振腔采用直接耦合的方式级联在一起形成所述基于基片集成波导的四模具有双零点的滤波天线；
所述基于基片集成波导的四模具有双零点的滤波天线的馈电方式采用共面波导馈电，且采用阶梯形式进行阻抗匹配。
2.如权利要求1所述的一种基于基片集成波导的四模具有双零点的滤波天线，其特征在于，
所述第一矩形的双模基片集成波导谐振腔采用非中心馈电的方式激励起高次模，并在所述第一矩形的双模基片集成波导谐振腔的腔体中心处设置有一个金属化过孔。
3.如权利要求1所述的一种基于基片集成波导的四模具有双零点的滤波天线，其特征在于，
所述第一矩形的双模基片集成波导谐振腔上下壁的位置处分别中心对称加载两个新型的电容式微扰。
4.如权利要求3所述的一种基于基片集成波导的四模具有双零点的滤波天线，其特征在于，
所述两个新型的电容式微扰分别由上层环形缝隙、中间圆形金属贴片和下层金属地面组成，上层环形缝隙处设置预设个数的金属化过孔来连接上层环形缝隙、中间圆形金属贴片和下层金属地面。
5.如权利要求4所述的一种基于基片集成波导的四模具有双零点的滤波天线，其特征在于，
所述中间圆形金属贴片的半径大于上层环形缝隙的半径。
6.如权利要求1所述的一种基于基片集成波导的四模具有双零点的滤波天线，其特征在于，
所述第二矩形的双模基片集成波导谐振腔在其腔体的金属底面设置有一个缝隙天线，并通过窗型耦合的方式与所述第一矩形的双模基片集成波导谐振腔直接耦合到一起。
7.如权利要求6所述的一种基于基片集成波导的四模具有双零点的滤波天线，其特征在于，
所述缝隙天线设置在所述第二矩形的双模基片集成波导谐振腔的腔体主模场强最大的位置处。
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