CN110323526A - Siw馈电介质谐振器以及采用该谐振器的天线、功分器 - Google Patents

Siw馈电介质谐振器以及采用该谐振器的天线、功分器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种SIW馈电介质谐振器以及采用该谐振器的天线、功分器，包括SIW腔及介质谐振器，两者左右侧均关于第一平面对称、前后侧均关于第二平面对称；SIW腔包括顶部金属层、介质基板、底部金属层，与底部金属层中心的馈电端口连接的探针贯穿SIW腔后伸入介质谐振器内，与底部金属层非中心的两个馈电端口连接的两个探针贯穿SIW腔后与顶部金属层连接，三探针的连线平行第一平面且垂直第二平面；SIW腔具有对称分布于第一平面两侧的两滑行槽，滑行槽与第一平面垂直且与第二平面平行，滑行槽中具有可于其中移动的短路栓，本发明通过选择端口馈电可应用到多种功能，通过调整短路栓位置可实现某些功能工作频率可调。

Description

SIW馈电介质谐振器以及采用该谐振器的天线、功分器
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及一种SIW馈电介质谐振器以及采用该谐振器的天线、功分器。
背景技术
基片集成波导(SIW)结构通过介质上下表面金属化并在两侧用金属化通孔将电磁波束缚在介质内，从而实现类似于传统金属波导的传输效果。其天生具有传统金属波导的优点，并且是平面结构，较好地满足了目前微波系统集成的需要，已经成为了微波天线与电路领域的研究热点。
SIW低损耗、易集成的特性使得其常被直接用来设计天线或作为其他类型天线的馈电系统，提高了天线的性能。例如，SIW馈电的透镜天线提供了低成本的传统喇叭天线的替代者；SIW给传统的微带天线馈电，来获得宽带的线性和圆极化特性；利用SIW中TE20模的等幅反相特性实现差分微带贴片天线的馈电，获得对称的方向图和低交叉极化性能；利用SIW腔给介质谐振器天线馈电，后者既作为辐射单元也作为最后一级谐振器，综合设计滤波天线。可见SIW作为天线馈电结构具有灵活多变的形式和优秀的性能。SIW结构的主模TE10模更是被广泛用来设计滤波器、巴伦、功分器等应用于微波毫米波电路与系统中。
以上各种应用，都是单独针对具体应用设计具体的SIW馈电系统。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述针对每一个应用都要设计具体的SIW馈电系统的缺陷，提供一种SIW馈电介质谐振器以及采用该谐振器的天线、功分器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种SIW馈电介质谐振器，其特征在于，包括SIW腔以及位于所述SIW腔上表面的介质谐振器，所述SIW腔的左右侧以及介质谐振器的左右侧同时关于第一平面对称，所述SIW腔的前后侧以及介质谐振器的前后侧还同时关于第二平面对称，当以SIW底部中心为原点，平行于第一平面且垂直于第二平面为x轴，垂直于第一平面且平行于第二平面为y轴建立坐标系，所述SIW腔的主模为TE110模，所述SIW腔的高次模为TE210模；
所述SIW腔包括自上而下层叠设置的顶部金属层、介质基板、底部金属层，第一馈电探针与位于底部金属层中心的第一馈电端口连接，第一馈电探针贯穿SIW腔后伸入所述介质谐振器内，两个第二馈电探针与位于底部金属层非中心的两个第二馈电端口连接，两个第二馈电探针贯穿SIW腔后与顶部金属层连接，两个第二馈电探针关于所述第一馈电探针对称分布，任一所述第二馈电探针与第一馈电探针之间的连线平行于第一平面且垂直于第二平面；
所述SIW腔具有对称分布于所述第一平面两侧的两个滑行槽，所述滑行槽的延伸方向与第一平面垂直且与第二平面平行，且所述滑行槽的延伸方向与定义TE模式时的坐标系的y轴平行，每一所述滑行槽中具有一可于所述滑行槽中移动的短路栓。
在本发明所述的SIW馈电介质谐振器中，所述短路栓为金属制件。
在本发明所述的SIW馈电介质谐振器中，所述顶部金属层上开设有对称分布于所述第二平面两侧的两个耦合窗，所述耦合窗自身关于第一平面对称，所述两个耦合窗位于所述两个滑行槽之间，其中一个耦合窗位于第一馈电探针和第二馈电探针之间。
在本发明所述的SIW馈电介质谐振器中，所述介质谐振器、顶部金属层、介质基板、底部金属层的平面投影轮廓均呈矩形。
在本发明所述的SIW馈电介质谐振器中，所述耦合窗呈长方形，所述耦合窗的长度方向平行于所述第一平面，所述耦合窗的宽度方向平行于所述第二平面。
本发明还构造了一种天线，采用如前任一项所述的SIW馈电介质谐振器。
本发明还构造了一种滤波器，采用如前任一项所述的SIW馈电介质谐振器。
本发明的SIW馈电介质谐振器以及采用该谐振器的天线、功分器，具有以下有益效果：本发明利用SIW腔对介质谐振器进行馈电，充分利用SIW腔的一腔多模特性，配合多端口和短路栓可以实现在单端系统中的多功能、可重构应用，因短路栓的作用相当于将TE110模谐振腔进行了压缩，此时场的分布与短路栓在SIW腔中的加载位置有关，加载处场强越强，影响越大，该模式的谐振频率也因此发生改变得越多，同时沿y轴加载的短路栓对TE210模的场分布没有任何影响，因此这种方式可以实现两个模式的独立控制，所以可以通过调整短路栓的位置将本发明的SIW馈电介质谐振器应用在多功能器件中，比如天线、功分器。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图：
图1是本发明的SIW馈电介质谐振器的分解图；
图2是SIW腔的俯视图；
图3是SIW腔的仰视图；
图4是仿真和测试天线的反射系数和增益的对比图；
图5是天线辐射方向图；
图6是可调滤波器功能的S参数示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的典型实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
需要说明的是，本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
本说明书中使用的“第一”、“第二”等包含序数的术语可用于说明各种构成要素，但是这些构成要素不受这些术语的限定。使用这些术语的目的仅在于将一个构成要素区别于其他构成要素。例如，在不脱离本发明的权利范围的前提下，第一构成要素可被命名为第二构成要素，类似地，第二构成要素也可以被命名为第一构成要素。
参考图1-3，本发明一方面构造了一种SIW馈电介质谐振器，基于该SIW馈电介质谐振器，可以设计天线、滤波器等。该SIW馈电介质谐振器包括基片集成波导100以及位于所述基片集成波导100上表面的介质谐振器1。
所述SIW腔100的左右侧以及介质谐振器1的左右侧同时关于第一平面对称，所述SIW腔100的前后侧以及介质谐振器1的前后侧还同时关于第二平面对称，所述SIW腔100的主模为TE210模，SIW腔100的高次模为TE110模，定义TE模的坐标系的x轴与第一平面平行且与第二平面垂直，y轴与第一平面垂直且与第二平面平行，的z轴与SIW腔100的厚度方向平行，即垂直于SIW腔100。
具体的，所述SIW腔100包括自上而下层叠设置的顶部金属层2、介质基板3、底部金属层4，所述介质谐振器1、顶部金属层2、介质基板3、底部金属层4的平面投影轮廓均呈正方形，当然，此仅为示例，在其他实施例中，还可以是矩形或者圆形等对称形状。三者的平面尺寸相同且摆放方向一致，即三者的四条侧边是对齐的。
其中，所述SIW腔100沿自身厚度方向贯穿开设有多个金属化过孔，所述多个金属化过孔沿所述介质基板3周边排布呈矩形。
其中，所述顶部金属层2上开设有对称分布于所述第二平面两侧的两个耦合窗21，所述耦合窗21自身关于第一平面对称。本实施例中，所述耦合窗21呈长方形，所述耦合窗21的长度方向平行于所述第一平面，所述耦合窗21的宽度方向平行于所述第二平面。需要说明的是，耦合窗21的形状仅为示例，实际上只要两个耦合窗21关于第二平面对称即可。
其中，第一馈电探针P1与位于底部金属层4中心的第一馈电端口A连接，且在竖直贯穿SIW腔后伸入所述介质谐振器1内，即第一馈电探针P1自下而上依次贯穿底部金属层4、介质基板3、顶部金属层2。如图，底部金属层4、介质基板3、顶部金属层2沿各自自身厚度方向均开有过孔、介质谐振器1的底部开设有盲孔11，第一馈电探针P1依次穿过底部金属层4、介质基板3、顶部金属层2上的过孔后伸入所述介质谐振器1的盲孔11内。
其中，两个第二馈电探针P2、P2’与位于底部金属层4非中心的两个第二馈电端口B连接，且贯穿SIW腔后与顶部金属层2连接。如图，底部金属层4、介质基板3沿各自自身厚度方向均开有过孔，第二馈电探针P2、P2’依次穿过底部金属层4、介质基板3上的过孔后与顶部金属层2连接。
其中，两个第二馈电探针P2、P2’自下而上依次贯穿底部金属层4、介质基板3后与接地平面层2连接。如图，底部金属层4、介质基板3在偏离中心位置的两个位置，沿底部金属层4、介质基板3厚度方向均开有过孔，两个第二馈电探针P2、P2’依次穿过底部金属层4、介质基板3上的过孔后与接地平面层2连接。其中，两个第二馈电探针P2、P2’均距离所述第一馈电探针P1预设距离，两个第二馈电探针P2、P2’关于所述第一馈电探针P1对称分布，且任一第二馈电探针P2、P2’与第一馈电探针P1之间的连线平行于第一平面且垂直于第二平面，即平行于所述x轴。
本实施例中，所述SIW腔100具有两个滑行槽101，滑行槽101在竖直方向上贯穿整个SIW腔100，在水平面上延伸呈“一”字型。所述两个滑行槽101对称分布于所述第一平面两侧，所述滑行槽101的延伸方向与第一平面垂直且与第二平面平行，即平行于所述y轴。
具体的，所述顶部金属层2、介质基板3、底部金属层4分别开设有左右两个条形槽，其中：所述顶部金属层2靠左边的条形槽201、介质基板3靠左边的条形槽301、底部金属层4靠左边的条形槽401正对设置形成第一个所述滑行槽101，所述顶部金属层2靠右边的条形槽202、介质基板3靠右边的条形槽302、底部金属层4靠右边的条形槽402正对设置形成第二个所述滑行槽101。
每一所述滑行槽101中具有一可于所述滑行槽101中移动的短路栓5。所述短路栓5为金属制件。应用时，可以根据需要调整两个短路栓5的位置，调整时所述两个短路栓5既可以调整到关于所述第一平面对称，也可以是非对称的。
具体的，两个滑行槽101分布在两个耦合窗21的左右侧，或者说所述两个耦合窗21位于所述两个滑行槽101之间，其中一个耦合窗21位于第一馈电探针P1和第二馈电探针P2之间，另一个耦合窗21位于第一馈电探针P1和第二馈电探针P2’之间。所述两个耦合窗21的间距小于所述滑行槽101的宽度。
现代微波系统对差分结构有很大的需求，如果天线具有差分输入端口，则可以直接接入系统，无需通过巴伦进行不平衡与平衡的转换。基于本发明的SIW馈电介质谐振器，将天线差分输入端口设置在SIW腔对称位置，即可满足这一需要。另外，本发明还可实现频率可调的功分器。
一方面，偏离SIW腔TE210模电场最弱位置的两个差分馈电探针P2、P2’对应于一组差分端口B2、B2’，该差分端口的信号能够激励起TE210模，也能激励TE110模，后者不能耦合激励介质谐振器。SIW腔顶部金属层2上的两个差分耦合窗口利用TE210模对介质谐振器差分馈电，激励起后者的TE1y11模，产生辐射。另一方面，探针P1对应的端口A仍然设置于SIW腔TE110模电场最强位置，激励起TE110模，却不能激励TE210模，该端口A的信号在差分端口B2、B2’被等分成同相的两个功率输出，实现功率分配，探针P1高度调节仍实现滤波器的阻抗匹配，不对天线有影响。加载在y轴上的短路栓对TE110模的谐振频率有调节功能，能够由短路栓位置的调整来实现功分器工作频率的可调。
一个具体的案例中，尺寸参数分别为a＝b＝17.0mm,h＝8.0mm,hf2＝1.0mm,L＝W＝43.0mm,l2＝5.0mm,w2＝5.0mm,s2＝1.0mm,p2＝11.0mm。具有差分端口的介质谐振器天线或频率可调功分器具体功能分析如下。
(1)具有差分端口的介质谐振器天线：两个探针P2、P2’对应的差分端口B2、B2’输入差分信号，探针P1对应的端口A短路。差分端口B2、B2’激励SIW腔TE210模，用来给介质谐振器差分馈电。仿真和测试的反射系数和增益如图4所示，天线工作在2.4GHz，仿真和实测的3dBz增益带宽分别为6.5％和10.5％。仿真和实测的最大增益分别为5.0dBi和5.2dBi.两个仿真的辐射零点出现在1.50GHz和3.10GHz，实测零点则出现在1.60GHz和3.15GHz，具有较好的滤波辐射特性。参考图5，该天线方向图对称好，仿真交叉极化低于-50dB，由于加工和装配误差，实测交叉极化小于-28dB。
(2)频率可调的功率分配器：两个探针P2、P2’对应的差分端口B2、B2’输出，探针P1对应的端口A输入，可移动金属栓实现频率可调。SIW腔仅TE110模被激励，作为功分器的工作模式。仿真的S参数如图6所示，仿真和实测的功率分配器中心频率可调范围分别为22.4％(1.70-2.08GHz)和23.2％(1.64-2.02GHz)，频率可调范围内功分器实测插损小于3+1dB。测试与仿真结果吻合。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种SIW馈电介质谐振器，其特征在于，包括SIW腔(100)以及位于所述SIW腔(100)上表面的介质谐振器(1)，所述SIW腔(100)的左右侧以及介质谐振器(1)的左右侧同时关于第一平面对称，所述SIW腔(100)的前后侧以及介质谐振器(1)的前后侧还同时关于第二平面对称，所述SIW腔(100)的主模为TE110模，所述SIW腔的高次模为TE210模；
所述SIW腔(100)包括自上而下层叠设置的顶部金属层(2)、介质基板(3)、底部金属层(4)，第一馈电探针(P1)与位于底部金属层(4)中心的第一馈电端口连接，第一馈电探针(P1)贯穿SIW腔后伸入所述介质谐振器(1)内，两个第二馈电探针(P2、P2’)与位于底部金属层(4)非中心的两个第二馈电端口连接，两个第二馈电探针(P2、P2’)贯穿SIW腔后与顶部金属层(2)连接，两个第二馈电探针(P2、P2’)关于所述第一馈电探针(P1)对称分布，任一所述第二馈电探针(P2、P2’)与第一馈电探针(P1)之间的连线平行于第一平面且垂直于第二平面；
所述SIW腔(100)具有对称分布于所述第一平面两侧的两个滑行槽(101)，所述滑行槽(101)的延伸方向与第一平面垂直且与第二平面平行，且所述滑行槽(101)的延伸方向与定义TE模式时的坐标系的y轴平行，每一所述滑行槽(101)中具有一可于所述滑行槽(101)中移动的短路栓(5)。
2.根据权利要求1所述的SIW馈电介质谐振器，其特征在于，所述短路栓(5)为金属制件。
3.根据权利要求1所述的SIW馈电介质谐振器，其特征在于，所述顶部金属层(2)上开设有对称分布于所述第二平面两侧的两个耦合窗(21)，所述耦合窗(21)自身关于第一平面对称，所述两个耦合窗(21)位于所述两个滑行槽(101)之间，其中一个耦合窗(21)位于第一馈电探针(P1)和第二馈电探针(P2、P2’)之间。
4.根据权利要求3所述的SIW馈电介质谐振器，其特征在于，所述介质谐振器(1)、顶部金属层(2)、介质基板(3)、底部金属层(4)的平面投影轮廓均呈矩形。
5.根据权利要求4所述的SIW馈电介质谐振器，其特征在于，所述耦合窗(21)呈长方形，所述耦合窗(21)的长度方向平行于所述第一平面，所述耦合窗(21)的宽度方向平行于所述第二平面。
6.一种天线，其特征在于，采用如权利要求1-5任一项所述的SIW馈电介质谐振器。
7.一种功分器，其特征在于，采用如权利要求1-5任一项所述的SIW馈电介质谐振器。
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