CN108987924B - 具有多辐射零点的基片集成波导双模滤波天线 - Google Patents

具有多辐射零点的基片集成波导双模滤波天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有多辐射零点的基片集成波导双模滤波天线，主要解决现有基片集成波导滤波天线带外选择性差、尺寸大、带宽窄和加工难度高的问题，其包括上层金属贴片(1),下层金属贴片(2)和介质基板(3),介质基板(3)四周蚀刻有金属通孔，这些金属通孔与上，下层金属贴片(1,2)形成正方形谐振腔(4)和长方形谐振腔(5)，这两个谐振腔公共壁上设有基片集成波导感性窗(6),正方形谐振腔(4)的左上角设有金属微扰柱(7),右下角设有金属微扰柱(8)，右上角设有同轴馈电(9),介质基板(3)底部的下层金属贴片(2)上蚀刻有矩形缝隙(10)。本发明尺寸小，易于加工，带外选择性好，可用于无线通信系统。

Description

具有多辐射零点的基片集成波导双模滤波天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别涉及一种基片集成波导双模滤波天线，可用于无线通信系统。
背景技术
近年来，无线通信技术得到了快速发展并获得了广泛应用。在通信系统中，由于有源器件的非线性特性，在工作频带外会产生大量的杂波信号，一方面会恶化系统性能，另一方面会对其他系统产生干扰。因此，对天线和滤波器的频率选择性提出了很高的要求，从而达到抑制带外杂波和干扰的目的。常用天线的频率选择特性很差，对系统的带外杂波和干扰抑制不明显，因此需要一种具有良好频率选择特性的天线，抑制带外杂波和干扰，从而降低对系统中其他器件设计指标的要求，降低系统的实现成本。基片集成波导是近年来研究和应用较多的波导结构，它不仅保留了传统金属波导的辐射损耗小、插入损耗低、功率容量大等特点，同时具有成本低、尺寸小、重量轻、易集成等优点，因此具有很高的工程应用价值。
目前，很多基片集成波导滤波天线虽然具备了滤波效果及良好的天线辐射性能，但是很少有引入多个辐射零点、实现较宽工作带宽同时又具有较小结构尺寸的基片集成波导滤波天线，它们的带外选择特性并不能完全令人满意。例如，2011年，YazidYusuf等人在IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques期刊(2011,Apr,vol.59,no.4.)上发表了“Compact Low-Loss Integration ofHigh-3-D Filters With HighlyEfficientAntennas”，论文中采用将4阶基片集成波导滤波器最后一腔改为缝隙天线的方法，实现了滤波天线一体化设计，但仍存在尺寸较大，带宽较窄和带外无辐射零点的缺点。2011年，Haitao Cheng等人在IEEE Antennas&Wireless Propagation Letters期刊(2011,Apr,vol.10,no.1)上发表了“Vertically Integrated Three-Pole Filter/AntennasforArrayApplications”，采用了多层技术实现了滤波天线的小型化，但这种结构增加了加工成本且仍然没有引入辐射零点。2018年，Ricardo Lovato等人在IEEEAntennas&WirelessPropagation Letters期刊(2018,Jan,vol.17,no.3)上发表了“AThird-Order SIW-Integrated Filter/Antenna Using Two Resonant Cavities”,采用了混合模式技术，引入了辐射零点，但辐射零点只能存在于天线工作频带一侧，另一侧选择性很差。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种具有多辐射零点的基片集成波导双模滤波天线，以扩展天线带宽，减小天线尺寸；提高带外选择特性，降低加工成本。
本发明是这样实现的：
本发明的技术思路是：通过基片集成波导双模技术扩展天线带宽，减小天线尺寸；通过引入4个辐射零点，提高天线带外选择特性；通过使用单层PCB工艺，降低加工成本。
根据上述技术思路，本发明具有多辐射零点的基片集成波导双模滤波天线，包括：
上层金属贴片1、下层金属贴片2和介质基板3，介质基板3四周蚀刻有四排金属通孔，这些金属通孔与上，下层金属贴片1，2形成正方形谐振腔4与长方形谐振腔5，这两个谐振腔的公共壁设有基片集成波导感性窗6，其特征在于：
正方形谐振腔4的左上角设有金属微扰柱7，右下角设有金属微扰柱8，右上角设有同轴馈电9；
介质基板3底部的下层金属贴片2上，设有矩形缝隙10。
进一步，上述天线的介质基板3上部蚀刻有上排金属通孔11，下部蚀刻有下排金属通孔12，左部蚀刻有左排金属通孔13，右部蚀刻有右排金属通孔14，该上排金属通孔11、下排金属通孔12、左排金属通孔13和右排金属通孔14与上层金属贴片1和下层金属贴片2共同围合而成一长方形腔体，在长方形腔体中间偏右位置设有一排公共金属通孔15，用于将长方形腔体分割成正方形谐振腔4与长方形谐振腔5，该公共金属通孔15即为正方形谐振腔4和长方形谐振腔5的公共壁。
进一步，上述天线的左上角金属微扰柱7和右下角金属微扰柱8为两个完全相同的圆柱形金属柱，其高度与介质基板3的厚度h相同，这两个金属微扰柱的半径r2取值范围为0.2mm≤r2≤0.4mm，左上角金属微扰柱7与上排金属通孔11的距离d3取值范围为1.5mm≤d3≤3mm，右下角金属微扰柱8与下排金属通孔12的距离d3′取值范围为1.5mm≤d3′≤3mm。
进一步，上述天线的基片集成波导感性窗6与上排金属通孔11的距离小于其与下排金属通孔12的距离，其与上排金属通孔11的距离g1取值范围为1mm≤g1≤2mm；基片集成波导感性窗6的高度与介质基板3的厚度h相同，其长度g取值范围为3mm≤g≤5mm，用以控制天线的工作带宽。
进一步，上述天线的矩形缝隙10位于下层金属贴片2的中间偏右位置，与公共金属通孔15的距离d取值范围为3mm≤d≤5mm，用以形成缝隙天线，向自由空间中辐射电磁波，矩形缝隙10的长边长度l3取值范围为11mm≤l3≤12mm，短边长度w3取值范围为2mm≤w3≤4mm，用以控制天线的中心频率。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明通过基片集成波导双模结构，减小了天线的尺寸；通过将矩形缝隙蚀刻在下层金属贴片中间偏右位置，扩展了缝隙天线的带宽。
2.本发明通过将同轴馈电移至谐振腔右上角，并且将基片集成波导感性窗设置在两个谐振腔公共壁的中间偏上位置，在天线工作频带外引入了4个辐射零点，提高了天线的带外选择特性。
3.本发明的基片集成波导滤波天线结构简单，制作可以全部使用传统的单层PCB工艺，降低了加工成本，容易批量生产。
附图说明
图1为本发明实施例的整体三维结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为用本发明仿真的天线的反射系数和可实现增益曲线图；
图4为用本发明仿真的天线的E面曲线图；
图5为用本发明仿真的天线的H面曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步描述：
参照图1，本发明包括上层金属贴片1，下层金属贴片2和介质基板3，上层金属贴片1位于介质基板3的顶部，下层金属贴片2位于介质基板3的底部。该介质基板3的上部蚀刻有上排金属通孔11，下部蚀刻有下排金属通孔12，左部蚀刻有左排金属通孔13和右部蚀刻有金属通孔14，该上排金属通孔11、下排金属通孔12、左排金属通孔13和右排金属通孔14与上层金属贴片1及下层金属贴片2共同围合而成一长方形腔体，在长方形腔体中间偏右位置设有一排公共金属通孔15，用以将长方形腔体分割成正方形谐振腔4与长方形谐振腔5，该公共金属通孔15即为正方形谐振腔4和长方形谐振腔5的公共壁，该公共壁的中间偏上位置设有基片集成波导感性窗6，其高度与介质基板3的厚度相同。
所述正方形谐振腔4的左上角设有金属微扰柱7，右下角设有金属微扰柱8，右上角设有同轴馈电9，介质基板3底部的下层金属贴片2的中间偏右位置上设有矩形缝隙10，用以向自由空间中辐射电磁波。
参照图2，介质基板3的长度为l，宽度为w，厚度为h，其取值范围为32mm≤l≤34mm，18.5mm≤w≤20.5mm，0.254mm≤h≤0.781mm；正方形谐振腔4的边长为w1，高度为h2，其取值范围为18.5mm≤w1≤20.5mm，0.254mm≤h2≤0.781mm；长方形谐振腔5的长边长度为w2，短边长度为l2，高度为h3，其取值范围为16mm≤w2≤18mm，10mm≤l2≤12mm，0.254mm≤h3≤0.781mm；基片集成波导感性窗6的长度为g，它与上排金属通孔11的距离为g1，其取值范围为3mm≤g≤5mm，1mm≤g1≤2mm；左上角金属微扰柱7的半径与右下角金属微扰柱8的半径相同，均为r2，其取值范围为0.2mm≤r2≤0.4mm，左上角金属微扰柱7与上排金属通孔11的距离为d3，其取值范围为1.5mm≤d3≤3mm；右下角金属微扰柱8与下排金属通孔12的距离为d3′，其取值范围为1.5mm≤d3′≤3mm；同轴馈电9与上排金属通孔11的距离为d1，与公共金属通孔15的距离为d2，其取值范围为4.5mm≤d1≤5.5mm，5.5mm≤d2≤6.7mm；矩形缝隙10的长边长度为l3，短边长度为w3，与公共金属通孔15的距离为d，其取值范围为11mm≤l3≤12mm，2mm≤w3≤4mm，3mm≤d≤5mm。
以下给出三种实施例：
实施例1：工作在12.5GHz的基片集成波导滤波天线
本实施例中上层金属贴片1与下层金属贴片2均采用导电率σ＝5.8×107S/m的镀铜表面，介质基板3采用相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009的罗杰斯5880材料，其长度l＝32.9mm，宽度w＝19.9mm，厚度h＝0.508mm；正方形谐振腔4的边长w1＝19.6mm，高度h2＝0.508mm；长方形谐振腔5的长边长度w2＝17mm，短边长度l2＝11.8mm，高度h3＝0.508mm；基片集成波导感性窗6的长度g＝4.7mm，与上排金属通孔11的距离g1＝1.5mm；左上角金属微扰柱7与右下角金属微扰柱8的半径相同均为r2＝0.25mm，左上角金属微扰柱7与上排金属通孔11的距离d3＝2.5mm，右下角金属微扰柱8与下排金属通孔12的距离d3′＝2.5mm；同轴馈电9与上排金属通孔11的距离d1＝5.25mm，与公共金属通孔15的距离d2＝6.25mm；矩形缝隙10的长边长度l3＝11.65mm，短边长度w3＝2.3mm，与公共金属通孔15的距离d＝3.81mm。
实施例2：工作在15GHz的基片集成波导双模滤波天线
本实施例对以下参量作了调整：
正方形谐振腔4的边长w1＝15mm，长方形谐振腔5的长边长度w2＝15mm，短边长度l2＝10mm。其它参数与实施例1相同。正方形谐振腔4的谐振频率
Figure BDA0001731468850000051
长方形谐振腔5的谐振频率
Figure BDA0001731468850000052
其中c为真空中的光速，ε为介质基板(3)的相对介电常数，天线中心频率即为正方形谐振腔4和长方形谐振腔5的谐振频率。由上述公式可知，本实施例中天线的中心频率为15GHz。
实施例3：工作在8GHz的基片集成波导双模滤波天线
本实施例对以下参量作了调整：
正方形谐振腔4的边长w1＝28mm，长方形谐振腔5的长边长度w2＝28mm，短边长度l2＝14mm。其它参数与实施例1相同。正方形谐振腔4的谐振频率
Figure BDA0001731468850000053
长方形谐振腔5的谐振频率
Figure BDA0001731468850000054
其中c为真空中的光速，ε为介质基板(3)的相对介电常数，天线中心频率即为正方形谐振腔4和长方形谐振腔5的谐振频率。由上述公式可知，本实施例中天线的中心频率为8GHz。
对比上述3个实施例的参量可知：随着正方形谐振腔4的边长w1，长方形谐振腔5的长边长度w2和短边长度l2的增加，天线的中心频率变小。
下面通过仿真和实验对实施例1的技术效果进行验证性说明。
1.仿真条件：
利用商业仿真软件HFSS_15.0对实施例1的反射系数、可实现增益、E面和H面进行仿真。
2.仿真内容与结果：
仿真1，对实施例1的天线进行仿真，得到反射系数曲线和可实现增益曲线，如图3所示。由图3可知：在11.8GHz-12.85GHz反射系数小于-10dB，可实现增益高于4dB，工作频带外有4个辐射零点。
仿真2，对实施例1的天线进行仿真，得到E面方向图曲线，如图4所示。由图4可知：天线E面主极化最大为5.5dB，交叉极化低于-25dB。
仿真3，对实施例1的天线进行仿真，得到H面方向图曲线，如图5所示。由图5可知：天线H面主极化最大为5.5dB，交叉极化低于-40dB。
以上仿真结果说明，实施例1的天线的工作中心频率为12.5GHz，-10dB阻抗相对带宽为8.5％，工作频带内增益最大值为5.5dB，E面和H面交叉极化水平都比较低。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有多辐射零点的基片集成波导双模滤波天线，包括上层金属贴片(1)、下层金属贴片(2)和介质基板(3)，介质基板(3)四周蚀刻有四排金属通孔，这些金属通孔与上，下层金属贴片(1，2)形成正方形谐振腔(4)与长方形谐振腔(5)，这两个谐振腔的公共壁设有基片集成波导感性窗(6)，其特征在于：
正方形谐振腔(4)的左上角设有金属微扰柱(7)，右下角设有金属微扰柱(8)，右上角设有同轴馈电(9)；
介质基板(3)底部的下层金属贴片(2)上，设有矩形缝隙(10)；介质基板(3)上部蚀刻有上排金属通孔(11)，下部蚀刻有下排金属通孔(12)，左部蚀刻有左排金属通孔(13)，右部蚀刻有右排金属通孔(14)，该上排金属通孔(11)、下排金属通孔(12)、左排金属通孔(13)和右排金属通孔(14)与上层金属贴片(1)和下层金属贴片(2)共同围合而成一长方形腔体，在长方形腔体中间偏右位置设有一排公共金属通孔(15)，用于将长方形腔体分割成正方形谐振腔(4)与长方形谐振腔(5)，该公共金属通孔(15)即为正方形谐振腔(4)和长方形谐振腔(5)的公共壁；矩形缝隙(10)位于下层金属贴片(2)上；
基片集成波导感性窗(6)与上排金属通孔(11)的距离小于其与下排金属通孔(12)的距离。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于左上角金属微扰柱(7)和右下角金属微扰柱(8)为两个完全相同的圆柱形金属柱，其高度与介质基板(3)的厚度h相同，这两个金属微扰柱的半径r2取值范围为0.2mm≤r2≤0.4mm，左上角金属微扰柱(7)与上排金属通孔(11)的距离d3取值范围为1.5mm≤d3≤3mm，右下角金属微扰柱(8)与下排金属通孔(12)的距离d′3取值范围为1.5mm≤d′3≤3mm，用以控制天线的中心频率。
3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，基片集成波导感性窗(6)与上排金属通孔(11)的距离g1取值范围为1mm≤g1≤2mm；基片集成波导感性窗(6)的高度与介质基板(3)的厚度h相同，其长度g取值范围为3mm≤g≤5mm。
4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，矩形缝隙(10)位于下层金属贴片(2)上，且在下层金属贴片(2)的中间偏右位置，与公共金属通孔(15)的距离d取值范围为3mm≤g≤5mm，用以形成缝隙天线，向自由空间中辐射电磁波，矩形缝隙(10)的长边长度l3取值范围为11mm≤l3≤12mm，短边长度w3取值范围为2mm≤w3≤4mm，用以控制天线的中心频率。
5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于介质基板(3)的相对介电常数为2.2，厚度h取值范围为0.254mm≤h≤0.781mm。
6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，正方形谐振腔(4)的高度h2与介质基板(3)的厚度h相同，其边长w1取值范围为18.5mm≤w1≤20.5mm，用以控制天线的中心频率。
7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，长方形谐振腔(5)的高度h3与介质基板(3)的厚度h相同，其长边长度w2取值范围为16mm≤w2≤18mm，短边长度l2的取值范围为10mm≤l2≤12mm，用以控制天线的中心频率。
8.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，同轴馈电(9)与上排金属通孔(11)的距离d1取值范围为4.5mm≤d1≤5.5mm，与公共金属通孔(15)的距离d2取值范围为5.5mm≤d2≤6.7mm。
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