CN109273835B - 一种基于结构复用的大频比共口径天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于共口径天线的技术领域，具体提供一种基于结构复用的大频比共口径天线，用以克服现有大频比天线设计当中不同频段天线阵面分离、口径利用效率低、天线间隔离效果不明显的问题。本发明利用基片集成波导的低剖面及金属化的封闭结构，设计天线辐射结构既作为SIW缝隙阵天线，又作为贴片天线；再分别利用波导馈电结构馈送高频信号，微带馈电结构馈送低频信号，实现同一辐射结构下的大频比双频率辐射；同时，利用基片集成波导对低频信号的截止特性以及光子带隙结构对高频信号的带阻作用，使得高频信号与低频信号在高口径利用率高的前提下仍能达到高隔离度。

Description

一种基于结构复用的大频比共口径天线
技术领域
本发明属于共口径天线的技术领域，涉及未来5G通信中sub-6GHz频段与毫米波频段共口径天线，具体为一种基于结构复用的大频比共口径天线。
背景技术
未来5G时代中，微波频段的可用频谱减少，进一步可实现的增益受到限制，为克服这一问题，毫米波技术得到越来越多的关注，然而毫米波频段损耗较大，不适合远距离传输；因此，将微波与毫米波频段结合使用是未来通信的发展趋势，相应的能同工作在以上两个频段的大频比共口径天线必不可少。
以往的大频比共口径天线的设计中，由于频比较大，高低频天线的辐射结构和电尺寸差异明显，多采用不同频段天线分离的结构。例如，文献“S.G.Zhou,P.K.Tan andT.H.Chio,《Wideband,low profile P-and Ku band shared aperture antenna withhigh isolation and low cross-polarisation》,IET Microw.,Antennas Propag.,vol.7,no.4,pp.223-229,Ma r.2013.”中采用重叠技术设计P/Ku频段共口径天线，将不同频段的贴片天线重叠放置在不同层，并且低频频段的贴片可用作高频天线的金属地；由于高频贴片对低频结构有一定遮挡，因而对高频辐射口径面积存在一定限制，只能为低频辐射面积的一小部分，导致口径利用率低。
又如，文献“B.J.Xiang,S.Y.Zheng,H.Wong,Y.M.Pan,K.X.Wang and M.H.Xia,《AFlexible Dual-Band Antenna With Large Frequency Ratio and Different RadiationProperties Over the Two Bands》,in IEEE Transactions on Antennas andPropagation,vol.66,no.2,pp.657-667,Feb.2018.”中的C/Ka频段共口径天线，利用SIW腔作为频率选择结构，实现单端口对不同频率天线的同时馈电，进一步提高馈电电路的集成化，但未实现天线的结构集成，不同的天线占用不同的空间，同样存在口径利用率低的问题。
可以发现，现有方案一般将不同频段阵面分离排布，并通过加大阵列间距或增加带阻结构以提升隔离度，导致口径利用率极低，无法满足小型基站和移动平台的应用需求。
发明内容
本发明的目的是针对现有大频比天线设计当中不同频段天线阵面分离、口径利用效率低、天线间隔离效果不明显的问题，提供一种基于结构复用的大频比共口径天线；本发明基于结构复用的概念，在同一辐射主体下完成高低频辐射。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于结构复用的大频比共口径天线，包括天线辐射结构1、波导馈电结构2及微带馈电结构3，其特征在于，所述天线辐射结构包括从下往上依次层叠的下介质层17、金属地16、中介质层15、下金属覆铜层14、上介质层13及上金属覆铜层11，所述上金属覆铜层11上开设SIW缝隙阵，并且上金属覆铜层11与下金属覆铜层14通过贯穿上介质层13的金属化过孔12连接、共同构成辐射天线；所述微带馈电结构3设置于下介质层14的下方，通过对应开设于金属地16上的耦合缝18耦合激励辐射天线；所述波导馈电结构2由波导口21和与之连接的波导转SIW过渡结构构成，所述波导转SIW过渡结构由贯穿中介质层15与下介质层17的金属化通孔22构成，所述金属化通孔22将下金属覆铜层14、金属地16连接在一起，并且下金属覆铜层14与金属地16上对应开设窗口，所述波导口设置于下介质层17下方。
进一步的，所述微带馈电结构3由SMA接头31及与之相连的微带线32构成，所述微带线32中串联有光子带隙结构33、用于隔离高频信号。
本发明的工作原理在于：利用基片集成波导的低剖面及金属化的封闭结构，将其视为一个有一定厚度的贴片单元天线，即下金属覆铜层14、上介质层13、上金属覆铜层11及金属化过孔12共同构成的辐射天线既作为SIW缝隙阵天线，又作为贴片天线；再分别利用波导馈电结构馈送高频信号，微带馈电结构馈送低频信号，实现同一辐射结构下的大频比双频率辐射。同时，在低频微带馈线(微带线32)上串联一个光子带隙结构，利用基片集成波导对低频信号的截止特性以及光子带隙结构对高频信号的带阻作用，使得高频信号与低频信号在高口径利用率高的前提下仍能达到较高的隔离效果；另外，波导转SIW过渡结构中金属化通孔22还可以作为低频贴片天线的短路通孔，对贴片天线工作频率进行微调。
综上，本发明的有益效果为：
1.本发明基于结构复用的概念，实现同一辐射结构下的大频比双频率辐射，天线相对空间占用小，结构重复利用率最高；
2.本发明馈电结构分离，利用波导截止特性以及光子带隙结构的高频抑制特性，在传输部分直接滤掉别的频率信号，不引入额外的滤波结构，达到现有大频比共口径天线达不到的高隔离度。
附图说明
图1是本发明基于结构复用的大频比共口径天线结构示意图。
图2是本发明基于结构复用的大频比共口径天线结构剖视图。
图3是本发明的上金属覆铜层的结构示意图。
图4是本发明实施例中大频比共口径天线隔离度仿真示意图。
图5是本发明实施例中大频比共口径天线低频工作仿真方向图。
图6是本发明实施例中大频比共口径天线高频工作仿真方向图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。
本实施例提供一种基于结构复用的大频比共口径天线，其结构如图1、图2所示，包括天线辐射结构1、波导馈电结构2及微带馈电结构3；本实施例中天线的尺寸为80mm×80mm×2.591mm，工作频率在S(3.4-3.5GHz)和V(59-60GHz)两个频段，其中，S频段利用贴片单元实现，V频段利用SIW缝隙阵天线实现；二者利用结构上的特殊性，进行融合，实现正常工作前提下的高口径利用效率和高隔离度；
本实施例中，天线辐射结构包括从下往上依次层叠的下介质层17、金属地16、中介质层15、下金属覆铜层14、上介质层13及上金属覆铜层11；如图3所示，上金属覆铜层11上开设为12×12的SIW缝隙阵，每个矩形缝隙尺寸均为1.8mm×0.2mm、纵向相邻缝隙间距2.1mm、缝隙偏离中心线0.19mm；上金属覆铜层11与下金属覆铜层14通过贯穿上介质层13的金属化过孔12连接，过孔12直径为0.5mm、孔间距为0.8mm，还设有调谐孔、其直径为0.3mm；下金属覆铜层14、上介质层13、上金属覆铜层11及金属化过孔12共同构成的辐射天线既作为SIW缝隙阵天线，又作为贴片天线；本实施例中，所有介质层(介质基板)的相对介电常数均为2.2，上、下介质层的厚度为0.508mm，中介质层的厚度为1.575mm，所有金属层厚度均为0.5盎司；
所述微带馈电结构3设置于下介质层14的下方，由SMA接头31及与之相连的微带线32构成，所述微带线32中串联有光子带隙结构33、用于隔离高频信号；微带馈电结构通过对应开设于金属地16上的H型槽(耦合缝)18耦合激励贴片天线；
所述波导馈电结构2由波导口21和与之连接的波导转SIW过渡结构构成，所述波导转SIW过渡结构由贯穿中介质层15与下介质层17的金属化通孔22构成，所述金属化通孔22将下金属覆铜层14、金属地16连接在一起，如图2所示，为保证金属化通孔22的实现，下介质层17下方还设置有一圈金属层；如图3所示，下金属覆铜层14与金属地16上对应开设矩形窗口，保证能量馈入SIW缝隙阵天线；所述波导口21通过法兰盘固定于下介质层下方。
对上述基于结构复用的大频比共口径天线进行仿真，如图4所示为其隔离度仿真示意图，如图5所示为天线在低频工作时的仿真方向图，如图6所示为其高频工作仿真方向图；由图可以看到，该天线能在上述两个频段上正常辐射，且高低频通道间能达到较高的隔离度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (2)

1.一种基于结构复用的大频比共口径天线，包括天线辐射结构(1)、波导馈电结构(2)及微带馈电结构(3)，其特征在于，所述天线辐射结构包括从下往上依次层叠的下介质层(17)、金属地(16)、中介质层(15)、下金属覆铜层(14)、上介质层(13)及上金属覆铜层(11)，所述上金属覆铜层(11)上开设SIW缝隙阵，并且上金属覆铜层(11)与下金属覆铜层(14)通过贯穿上介质层(13)的金属化过孔(12)连接、共同构成辐射天线；所述微带馈电结构(3)设置于下介质层(17)的下方，通过对应开设于金属地(16)上的耦合缝(18)耦合激励辐射天线；所述波导馈电结构(2)由波导口(21)和与之连接的波导转SIW过渡结构构成，所述波导转SIW过渡结构由贯穿中介质层(15)与下介质层(17)的金属化通孔(22)构成，所述金属化通孔(22)将下金属覆铜层(14)、金属地(16)连接在一起，并且下金属覆铜层(14)与金属地(16)上对应开设窗口，所述波导口设置于下介质层(17)下方。
2.按权利要求1所述基于结构复用的大频比共口径天线，其特征在于，所述微带馈电结构(3)由SMA接头(31)及与之相连的微带线(32)构成，所述微带线(32)中串联有光子带隙结构(33)、用于隔离高频信号。
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