CN110459858A - 一种基于基片集成腔的滤波天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于基片集成腔的滤波天线，包括依次层叠的顶层金属结构、第二层金属结构、第三层金属结构、底层金属结构以及金属盲孔。顶层金属结构上开有平行辐射双槽，第二层金属结构上开有平行耦合双槽，第三层金属结构中心开有单个矩形耦合槽，底层金属结构由一条微带馈线及其两侧的开路枝节构成。顶层金属结构、第二层金属结构、金属盲孔构成上层基片集成腔，第二层金属结构、第三层金属结构、金属盲孔构成下层基片集成腔。本发明的层叠基片集成腔以平行双槽进行耦合，并以顶层平行双槽进行辐射，可以以两个谐振器获得三个反射零点及两个辐射零点，即以较少的谐振器个数来有效提升了带宽及频率选择性。

Description

一种基于基片集成腔的滤波天线
技术领域
本发明涉及各种微波通信领域，尤其涉及一种基于基片集成腔的滤波天线。
背景技术
天线与滤波器是无线通信系统的重要组成部分，随着无线通信系统朝着高集成度方向发展，迫切需要具有滤波功能的天线以减少滤波器的需求，实现系统小型化。同时，具有良好频率选择性的滤波天线能有效降低工作在邻近区域、不同频率之间天线的相互影响。将基片集成波导应用于滤波天线设计，能有效利用基片集成波导低损耗、低成本、易于在高频率工作及易于集成等特点。然而，基于基片集成腔的滤波天线还不完善，仍然面临带宽及频率选择性等的挑战。
目前，基于基片集成腔设计的滤波天线可分为两种。一种是通过在背腔槽内侧上层堆叠贴片产生辐射零点，因其所有谐振器均参与辐射，故天线损耗较小，有较高的增益，但此设计方法较为复杂，频率选择性有限，且无法通过多阶滤波响应增加频率选择性。另一种方法是将辐射体作为滤波器的最后一阶谐振器。此方法中大部分设计采用多个单模基片集成腔以垂直耦合的槽或水平耦合的感性窗进行简单耦合级联，其频率选择性随着谐振器个数的增加而改善，因此该类设计极大地增加了整体滤波天线的尺寸或剖面，整体增益低。在此基础上引入电磁混合耦合、多模滤波谐振器或多模辐射谐振器等方式改进此类设计。引入电磁混合耦合能产生辐射零点从而改善频率选择性，相应的在一定程度上减少谐振器数目；引入多模滤波谐振器或多模辐射谐振器，可以在不增加谐振器数目的基础上增加谐振点从而改善频率选择性，同时产生辐射零点进一步改善频率选择性。但是，总的来讲，目前将辐射体作为滤波器的最后一阶谐振器的滤波天线，存在带宽较窄的问题，并且频率选择性有待进一步提高，部分设计不存在辐射零点，部分设计辐射零点过远或过少。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于基片集成腔的滤波天线，解决其带宽及频率选择性无法兼顾的问题，保持较少的谐振器个数、较多的辐射零点及较高的带外抑制水平。
技术方案：一种基于基片集成腔的滤波天线，包括依次层叠的顶层金属结构、第二层金属结构、第三层金属结构、底层金属结构，各层金属结构之间为介质层，还包括连接所述顶层金属结构、第二层金属结构、第三层金属结构的金属盲孔；所述顶层金属结构上开有平行辐射双槽，所述第二层金属结构上开有平行耦合双槽，所述第三层金属结构中心开有单个矩形耦合槽，所述底层金属结构由一条微带馈线及其两侧的开路枝节构成；所述顶层金属结构、第二层金属结构、金属盲孔构成上层基片集成腔，所述第二层金属结构、第三层金属结构、金属盲孔构成下层基片集成腔。
进一步的，所述平行耦合双槽与所述平行辐射双槽呈中心对称分布，所述平行耦合双槽的间距小于所述平行辐射双槽的间距。
有益效果：相比于现有技术，本发明兼顾带宽及频率选择性，且频率选择性最优，同时谐振器个数、辐射零点个数及带外抑制等维持在较好水平。具体来说：
(1)层叠基片集成腔以中间层平行双槽进行耦合，并以顶层平行双槽进行辐射，有效提升了基于基片集成腔滤波天线的带宽及频率选择性；
(2)平行耦合双槽的间距小于平行辐射双槽的间距，并且呈中心对称分布，以此保证产生三个反射零点及两个辐射零点；平行耦合双槽的间距小于平行辐射双槽的间距的结构是保证该天线正常工作，也即保证该天线能够成功激励出反射零点与辐射零点的条件。
(3)加载开路枝节的微带线通过与槽耦合的方式对天线进行馈电，保证层叠基片集成腔被有效激励，并且开路枝节产生最低端辐射零点，提高低频处带外抑制。
附图说明
图1为基于基片集成腔的滤波天线的剖面结构图；
图2为顶层金属结构图；
图3为第二层金属结构图；
图4为第三层金属结构图；
图5为底层金属结构图；
图6为实施例滤波天线的仿真结果图；
图7为实施例滤波天线在9.75GHz的仿真E面辐射方向图；
图8为为实施例滤波天线在9.75GHz的仿真H面辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，一种基于基片集成腔的滤波天线，包括依次层叠的顶层金属结构1、第二层金属结构2、第三层金属结构3、底层金属结构4，各层金属结构之间为介质层。还包括连接顶层金属结构1、第二层金属结构2、第三层金属结构3的金属盲孔7，金属盲孔7等间距排列形成矩形。如图2所示，顶层金属结构1上开有平行辐射双槽8。如图3所示，第二层金属结构2上开有平行耦合双槽9。如图4所示，第三层金属结构3中心开有单个矩形耦合槽10。如图5所示，底层金属结构4由一条微带馈线11及其两侧的开路枝节12构成，用以作为天线的馈电结构。平行耦合双槽9与平行辐射双槽8呈中心对称分布，平行耦合双槽9的间距小于平行辐射双槽8的间距。顶层金属结构1、第二层金属结构2、金属盲孔7构成上层基片集成腔5，第二层金属结构2、第三层金属结构3、金属盲孔7构成下层基片集成腔6。
上述基片集成腔的滤波天线，通过加载开路枝节12的微带馈线11进行馈电，使信号自下而上的依次经过下层基片集成腔6与上层基片集成腔5，并通过平行辐射双槽8进行辐射。
其中，上层基片集成腔5与下层基片集成腔6的尺寸可以调节天线的工作频率。天线带宽则由平行辐射双槽8与平行耦合双槽9的长宽控制，并且平行耦合双槽9间距应小于平行辐射双槽8间距。高端辐射零点的产生是因为天线上层腔中激励出的电场不存在极化方向上的分量，低端辐射零点的产生则是天线下层腔中的电场无法激励上层腔进而无法辐射，而最低端的辐射零点是利用加载四分之一波长的开路枝节产生。高端辐射零点的频率可以通过平行辐射双槽8的间距改变，低端辐射零点的频率通过平行耦合双槽9的间距调节，而微带馈线11上的开路枝节12长度可以改变最低端辐射零点的频率。
本发明的层叠基片集成腔以平行双槽进行耦合，并以顶层平行双槽进行辐射，可以以两个谐振器获得三个反射零点及两个辐射零点，即以较少的谐振器个数来有效提升了带宽及频率选择性。
本实施例中，采用的是介电常数为3.38，损耗角为0.0027的RO4003C基板，天线的长宽均为30mm、厚度为4.2mm，即在中心频率9.75GHz时的尺寸为0.97λ0×0.97λ0×0.13λ0。天线匹配响应和辐射响应如图6所示，其10dB匹配带宽为9.322-10.161GHz，即相对带宽达到了8.61％。其拥有好的频率选择性、17dB的带外抑制水平与宽的带外抑制带宽。通带内增益为7.3dBi。图7和图8是在9.75GHz处的天线测试方向图，可见天线在E面或者H面的交叉极化均小于-23dB。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于基片集成腔的滤波天线，其特征在于：包括依次层叠的顶层金属结构(1)、第二层金属结构(2)、第三层金属结构(3)、底层金属结构(4)，各层金属结构之间为介质层，还包括连接所述顶层金属结构(1)、第二层金属结构(2)、第三层金属结构(3)的金属盲孔(7)；所述顶层金属结构(1)上开有平行辐射双槽(8)，所述第二层金属结构(2)上开有平行耦合双槽(9)，所述第三层金属结构(3)中心开有单个矩形耦合槽(10)，所述底层金属结构(4)由一条微带馈线(11)及其两侧的开路枝节(12)构成；所述顶层金属结构(1)、第二层金属结构(2)、金属盲孔(7)构成上层基片集成腔(5)，所述第二层金属结构(2)、第三层金属结构(3)、金属盲孔(7)构成下层基片集成腔(6)。
2.根据权利要求1所述的基于基片集成腔的滤波天线，其特征在于：所述平行耦合双槽(9)与所述平行辐射双槽(8)呈中心对称分布，所述平行耦合双槽(9)的间距小于所述平行辐射双槽(8)的间距。
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