CN110212305A - 一种双模基片集成波导滤波天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种双模基片集成波导滤波天线，包括介质基板，介质基板上、下表面分别敷有顶层金属层和底层金属层，所述介质基板设有贯穿所述顶层金属层和底层金属层的金属化通孔，金属化通孔沿所述介质基板四周周期排布形成电壁并与顶层金属层和底层金属层围成矩形结构的腔体；所述腔体对应的顶层金属层至少腐刻有一条辐射缝隙，所述腔体还设有耦合馈电结构，耦合馈电结构穿过所述介质基板将顶层金属层与底层金属层相连进行馈电。本发明的有益效果在于，利用SIW腔体的双模，直接在一个腔体上即实现天线辐射和滤波设计，在一定程度上解决传统SIW滤波天线—A腔辐射+B腔滤波的设计方案带来的大尺寸问题；降低天线的设计复杂度并减小天线组件的尺寸。

Description

一种双模基片集成波导滤波天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种双模基片集成波导滤波天线。
背景技术
目前常用的滤波天线，按照天线结构大致可分为微带滤波天线、波导滤波天线和基片集成波导（SIW）滤波天线等。微带滤波天线，主要基于微带贴片天线，在微带天线靠近馈电处的位置加载起滤波作用的结构，以此提高天线通带的选择性。波导滤波天线，主要是在常规的波导传输线上进行滤波器设计，并在滤波器的末端完成电磁波信号的空间辐射，从而实现波导天线的滤波设计。基片集成波导滤波天线，主要在基片集成波导缝隙天线的基础上，进行滤波结构的设计，常规的实现方式分为SIW缝隙天线连接滤波器形式和腔体微扰形式，SIW缝隙天线连接滤波器形式，即在缝隙天线的端口处连接起滤波作用的腔体，从而实现天线的滤波设计；腔体微扰形式，是通过开槽或打短路盯梢等对SIW谐振腔体进行微扰，使得双模谐振点靠近，增加天线频带的谐振性能，从而提高天线的滤波性能。
就目前常用的微带滤波天线而言，该滤波天线实质就是天线与滤波器的近距离拼接组合；天线馈电处需要进行滤波电路的设计，存在天线结构复杂和天线尺寸大的缺点；并且滤波结构的连接，造成了天线更多的传输损耗。而波导滤波天线实质也是天线与滤波器的近距离拼接组合，即在波导传输线开口后端需要设置一端波导滤波器结构，存在天线结构复杂和天线尺寸大等缺点，不利于射频前端的小型化。对于基片集成波导滤波天线，形式一-SIW缝隙天线连接滤波器形式，即在SIW缝隙天线后端连接具有滤波作用的SIW腔体，存在天线结构复杂和天线尺寸大等缺点，不利于射频前端的小型化；形式二-腔体微扰形式，利用了短路盯梢对SIW腔体进行微扰，存在天线结构复杂和天线增益有限缺点。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种双模基片集成波导滤波天线，依托X波段为应用背景，在基片集成波导缝隙天线的基础上，通过合理的馈电设计，同时激励起SIW谐振腔体的TE102/TE201模式，此时腔体中场的变化类似于SIW双模滤波器的场，从而提高天线频带的选择性，实现天线的滤波设计。
本发明的技术方案是，提供一种双模基片集成波导滤波天线，包括介质基板，所述介质基板上、下表面分别敷有顶层金属层和底层金属层，所述介质基板设有贯穿所述顶层金属层和底层金属层的金属化通孔，所述金属化通孔沿所述介质基板四周周期排布形成电壁并与顶层金属层和底层金属层围成矩形结构的腔体；所述腔体对应的顶层金属层至少腐刻有一条辐射缝隙，所述腔体还设有耦合馈电结构，所述耦合馈电结构穿过所述介质基板将顶层金属层与底层金属层相连进行馈电。
优选方案，所述顶层金属层与底层金属层分别为敷设于所述介质基板上、下表面的金属铜层。
优选方案，所述耦合馈电结构为背馈形式，所述耦合馈电结构包括分别腐刻于所述顶层金属层和底层金属层的两条环状耦合馈电缝隙以及背馈SMA接头，所述耦合馈电结构设置于靠近所述腔体对角线位置。
优选方案，所述辐射缝隙为矩形缝隙，所述矩形缝隙长边布置方向与所述腔体长边布置方向相同，所述矩形缝隙长度为天线谐振频点对应的半波长，所述矩形缝隙宽度设置为0.8mm。
优选方案，所述耦合馈电结构沿y轴方向距离任一金属化通孔电壁的距离取值范围为3.5mm～4.00mm，沿x轴方向距离任一金属化通孔电壁的距离取值范围为5.5mm～7.5mm。
优选方案，所述腔体对应的顶层金属层腐刻有一条辐射缝隙，所述辐射缝隙对应于腔体的中心位置。
优选方案，所述腔体对应的顶层金属层腐刻有两条辐射缝隙，所述两条辐射缝隙分别靠近所述腔体相对的两侧金属化通孔电壁对称设置，且每条辐射缝隙分别距离所述腔体另一相对的两侧金属化通孔电壁的距离相等。
优选方案，所述介质基板厚度为1.0mm，所述介质基板采用相对介电常数为2.2、损耗角正切为0.0007的材料。
优选方案，所述顶层金属层和底层金属层的敷设厚度为0.018mm。
优选方案，所述顶层金属层和底层金属层的表面采用沉金工艺处理。
优选方案，所述背馈SMA接头采用50欧姆的SMA接头。
优选方案，所述双模基片集成波导滤波天线的工作频段为9.8～10.2GHz。
本发明的有益效果在于，提供一种双模基片集成波导滤波天线，腔体中心或边缘对应顶层金属层的缝隙腐刻，能够激励起双模工作，并且使得其中一个模式进行辐射，从而在天线工作频带带外实现对消，在天线增益随频率变化图上出现零点，使得天线滤波性能较好；双缝隙的开设，增加了腔体的电磁能量泄露，有利于提高辐射能力，增加天线增益；调整SIW腔体的长宽，可以使得对应双模的谐振点随之移动，改变双模（TE102/201）谐振点的上下边带对应关系（即或），即可实现传输零点的上下边带的移动，传输零点控制简单；基片集成波导的结构和双模的存在，有利于降低损耗，适合高频和毫米波端应用；本发明天线充分利用了SIW腔体的双模，直接在一个腔体上即实现了天线辐射和滤波设计，在一定程度上解决了传统SIW滤波天线—A腔辐射+B腔滤波的设计方案带来的大尺寸问题，降低天线的设计复杂度并减小了天线组件的尺寸；相比于常规的天线+滤波器组合方式，是直接的滤波天线实现方式，不增大基本辐射结构的尺寸，天线结构紧凑，利于系统的集成；具有良好滤波选择性，有利于整机的小型化和射频前端性能的提高。
附图说明
图1为本发明实施例所述单缝隙双模基片集成波导滤波天线中顶层金属层与底层金属层移开后透视结构示意图；
图2为本发明实施例所述双缝隙双模基片集成波导滤波天线中顶层金属层与底层金属层移开后透视结构示意图；
图3为本发明实施例所述单缝隙双模基片集成波导滤波天线性能图；
图4为本发明实施例所述双缝隙双模基片集成波导滤波天线性能图。
附图标记说明
1.介质基板，2.顶层金属层，3.底层金属层，4.金属化通孔，5.矩形缝隙，61.环状耦合馈电缝隙，62.背馈SMA接头。
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。
请参阅图1-4所示，本发明提供的具体实施例如下：
本实施例的一种双模基片集成波导滤波天线，包括介质基板1，所述介质基板上、下表面分别敷有顶层金属层2和底层金属层3，所述介质基板设有贯穿所述顶层金属层和底层金属层的金属化通孔4，所述金属化通孔沿所述介质基板四周周期排布形成电壁并与顶层金属层和底层金属层围成矩形结构的腔体；其中，顶层金属层用作顶层，底层金属层用作底层以及地板层，介质基板用作腔体的支撑结构，四周周期排布的金属化通孔连接顶层金属层和底层金属层，用作腔体的电壁；所述腔体对应的顶层金属层至少腐刻有一条辐射缝隙，用以形成缝隙天线，向自由空间中辐射电磁波，所述腔体还设有耦合馈电结构，所述耦合馈电结构穿过所述介质基板将顶层金属层与底层金属层相连进行馈电。
所述顶层金属层与底层金属层分别为敷设于所述介质基板上、下表面的金属铜层。
所述介质基板厚度为1.0mm，板厚公差为 ，所述介质基板为聚四氟乙烯玻璃布覆铜板F4BM220（其相对介电常数为2.2、损耗角正切为0.0007）。
所述顶层金属层和底层金属层采用普通PCB加工工艺，选择敷设厚度为0.018mm。
所述顶层金属层和底层金属层的表面采用沉金工艺处理。
所述耦合馈电结构为背馈形式，所述耦合馈电结构包括分别腐刻于所述顶层金属层和底层金属层的两条环状耦合馈电缝隙61以及背馈SMA接头62，所述耦合馈电结构设置于靠近所述腔体对角线位置。其中，SMA接头从介质基板背后接入，SMA内芯穿过介质基板，利用锡焊与顶层金属层接触，SMA外导体直接利用锡焊与底层金属层接触，并且将SMA馈电点位置设置在腔体靠近对角线上，用以激励起腔体的TE102/201双模，从而实现天线的馈电。此外，顶层的一圈环状缝隙，即耦合馈电缝隙，能够提供一个串联的缝隙电容，改善对双模天线的阻抗匹配，提高天线工作频段的滤波性能。在SIW缝隙天线的基础上，仅通过合理的馈电设计，激励起双模工作，天线结构简单。
所述背馈SMA接头采用50欧姆的SMA接头（其半径3.5mm）。
所述双模基片集成波导滤波天线的工作频段为9.8～10.2GHz（X波段），采用标准PCB工艺。天线仅需要利用标准PCB工艺对基板进行加工等，降低了加工难度和制作成本。
所述辐射缝隙为矩形缝隙5，所述矩形缝隙长边布置方向与所述腔体长边布置方向相同，所述矩形缝隙长度为天线谐振频点对应的半波长，所述矩形缝隙宽度设置为0.8mm；矩形缝隙的宽度主要影响天线的阻抗匹配，设置为0.8mm，能够兼顾辐射性能和阻抗匹配。
如图1-2所示，以所述腔体长边为x轴，短边为y轴，所述耦合馈电结构沿y轴方向距离任一金属化通孔电壁的距离取值范围为3.5mm～4.00mm，沿x轴方向距离任一金属化通孔电壁的距离取值范围为5.5mm～7.5mm。
以下具体给出两种实施例：
实施例1：工作在9.8～10.2GHz的单缝隙双模基片集成波导滤波天线
本实施例中，所述腔体对应的顶层金属层腐刻有一条辐射缝隙，所述辐射缝隙对应于腔体的中心位置，所述耦合馈电结构设置于靠近所述腔体对角线位置。本实施例中，如图1所示，在腔体对应的顶层金属层腐刻一条辐射缝隙作为单缝隙双模基片集成波导滤波天线，辐射缝隙腐刻于腔体中心位置对应的顶层金属层，缝隙的长度为天线谐振频点对应的半波长，缝隙的宽度主要影响天线的阻抗匹配，设置为0.8mm，能够兼顾辐射性能和阻抗匹配。耦合馈电结构设于靠近所述腔体对角线位置，沿y轴方向距离腔体沿y轴方向的两金属化通孔电壁的其中一电壁的距离为3.5mm，沿x轴方向距离腔体沿x轴方向的两金属化通孔电壁的其中一电壁的距离为7.5mm。将矩形缝隙腐刻于腔体对应顶层金属层的中心位置，不仅能够切割TE2O1模场分布，实现电磁波信号的向外辐射，同时减小了缝隙开设对双模的破坏。将耦合馈电结构设置在靠近腔体对角线位置，此时馈电点处于双模的交集区域，且距离双模各自中心距离相近，能够将腔体的TE102/201双模激励起来，此时双模同时存在于腔体中，腔体中双模的电磁场变化类似于常规双模SIW腔体滤波器。如图3所示为本实施例单缝隙双模基片集成波导滤波天线性能图，双模的同时存在，并且将腔体设置为矩形，双模谐振频点得到分离，进而使得天线的工作频带出现双极点。双模间的转换，构造出信号的双通道传输，并在增益频带曲线上实现对消，形成传输零点，进一步提高天线的滤波选择性。在缝隙基片集成波导天线上，实现双模工作，损耗较低，能够适用于高频以及毫米波频段天线应用。本实施例所述天线充分利用了SIW腔体的双模，直接在一个腔体上即实现了天线辐射和滤波设计，在一定程度上解决了传统SIW滤波天线—A腔辐射+B腔滤波的设计方案带来的大尺寸问题，降低天线的设计复杂度并减小了天线组件的尺寸。
实施例2：工作在9.8～10.2GHz的双缝隙双模基片集成波导滤波天线
本实施例中，所述腔体对应的顶层金属层腐刻有两条辐射缝隙，所述两条辐射缝隙分别靠近所述腔体相对的两侧金属化通孔电壁对称设置，且每条辐射缝隙分别距离所述腔体另一相对的两侧金属化通孔电壁的距离相等，所述耦合馈电结构设置于靠近所述腔体对角线位置，本实施例中，如图2所示，该滤波天线在腔体对应的顶层金属层腐刻有两条辐射缝隙，将两条辐射缝隙分别靠近腔体相对的两侧金属化通孔设置，两条矩形缝隙分别距离与其靠近的金属化通孔电壁的间距为1mm，该间距能够保证天线加工时缝隙不受金属化通孔的影响，同时也对腔体中的场破坏较小。两条矩形缝隙的长度和宽度，且长度为天线谐振频点对应的半波长，缝隙宽度对天线谐振频率影响较小，对天线阻抗匹配影响较大，缝隙宽度设置为0.8mm，能够兼顾天线辐射性能和阻抗匹配。双缝隙设置方式能够辐射出更多的电磁能量，提高天线的辐射增益。耦合馈电结构设于靠近所述腔体对角线位置，沿y轴方向距离腔体沿y轴方向的两金属化通孔电壁的其中一电壁的距离为4mm，沿x轴方向距离腔体沿x轴方向的两金属化通孔电壁的其中一电壁的距离为5.5mm。对于双缝隙方案的滤波天线方案，矩形缝隙除图2所示靠近所述腔体长边设置外，也可将矩形缝隙靠近腔体短边设置，此时仅需对耦合馈电结构进行微调整，即可实现良好的阻抗匹配和天线滤波性能。如图4所示为本实施例的双缝隙双模基片集成波导滤波天线性能图。
需要说明的是，在微波射频技术领域，天线性能受到多方面因素影响（如特征尺寸参数的变化或腔体形状的变化等），天线所具有的性能将由其形状设计以及各特征尺寸参数设计的所有组合的整体方案所决定，并非单一特征尺寸参数的连续调整所决定天线性能。
在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“坚直”、“水平”、“中心”、“顶”、“底”、“顶部”、“根部”、“内”、“外”、“外围”、“里侧”、“内侧”、“外侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了使于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。其中，“里侧”是指内部或围起来的区域或空间。“外围”是指某特定部件或特定区域的周围的区域。
在本发明的实施例的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“组装”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的实施例的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，“-”和“~”表示的是两个数值之同的范围，并且该范围包括端点。例如:“A-B”表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。“A~B''表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。
在本发明的实施例的描述中，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种双模基片集成波导滤波天线，其特征在于，包括介质基板，所述介质基板上、下表面分别敷有顶层金属层和底层金属层，所述介质基板设有贯穿所述顶层金属层和底层金属层的金属化通孔，所述金属化通孔沿所述介质基板四周周期排布形成电壁并与所述顶层金属层和底层金属层围成矩形结构的腔体；所述腔体对应的顶层金属层至少腐刻有一条辐射缝隙，所述腔体还设有耦合馈电结构，所述耦合馈电结构穿过所述介质基板将所述顶层金属层与底层金属层相连进行馈电；
所述耦合馈电结构为背馈形式，所述耦合馈电结构包括分别腐刻于所述顶层金属层和底层金属层的两条环状耦合馈电缝隙以及背馈SMA接头，
所述耦合馈电结构沿y轴方向距离任一金属化通孔电壁的距离取值范围为3.5mm～4.00mm，沿x轴方向距离任一金属化通孔电壁的距离取值范围为5.5mm～7.5mm。
2.根据权利要求1所述的一种双模基片集成波导滤波天线，其特征在于，所述辐射缝隙为矩形缝隙，所述矩形缝隙长边布置方向与所述腔体长边布置方向相同，所述矩形缝隙长度为天线谐振频点对应的半波长，所述矩形缝隙宽度设置为0.8mm。
3.根据权利要求1所述的一种双模基片集成波导滤波天线，其特征在于，所述腔体对应的顶层金属层腐刻有一条辐射缝隙，所述辐射缝隙对应于腔体的中心位置。
4.根据权利要求1所述的一种双模基片集成波导滤波天线，其特征在于，所述腔体对应的顶层金属层腐刻有两条辐射缝隙，所述两条辐射缝隙分别靠近所述腔体相对的两侧金属化通孔电壁对称设置，且每条辐射缝隙分别距离所述腔体另一相对的两侧金属化通孔电壁的距离相等。
5.根据权利要求1所述的一种双模基片集成波导滤波天线，其特征在于，所述介质基板厚度为1.0mm，所述介质基板采用相对介电常数为2.2、损耗角正切为0.0007的材料。
6.根据权利要求1所述的一种双模基片集成波导滤波天线，其特征在于，所述顶层金属层和底层金属层的敷设厚度为0.018mm。
7.根据权利要求2所述的一种双模基片集成波导滤波天线，其特征在于，所述背馈SMA接头采用50欧姆的SMA接头。
8.根据权利要求1所述的一种双模基片集成波导滤波天线，其特征在于，所述双模基片集成波导滤波天线的工作频段为9.8～10.2GHz。
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