CN110544822B - 基于SIW结构的Ka波段小型化滤波天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于基片集成波导SIW结构的Ka波段小型化滤波天线，主要解决现有滤波天线尺寸偏大、不易集成的问题。其包括两金属层、两介质层和微带辐射单元。第一金属层(13)上设有共面波导(14)；第一介质层(8)位于第一金属层(13)与第二金属层(5)之间，其周边和中间设有周期性金属化通孔(12)，以构成两个谐振腔(9，11)，两个谐振腔之间设有感性窗口(8)，用于耦合这两个谐振腔；第二金属层设有两个矩形窗口(6，7)；第二介质层(3)的左上方设有第一辐射单元(1)，右上方设有第二辐射单元(2)，两个辐射单元组成辐射阵列。本发明频率选择性好，增益高，易集成，适用于Ka波段无线通信。

Description

基于SIW结构的Ka波段小型化滤波天线

技术领域

本发明属于微波毫米波通信技术领域，特别涉及一种滤波天线，可用于Ka波段无线通信。

背景技术

近年来，无线通信技术得到了快速发展，无线通信系统趋于小型化。滤波器与天线作为无线通信系统里的关键部件，将二者协同设计成滤波天线可以满足小型化的需求。目前，易加工、易集成的滤波天线已成为新的研究热点。

中国专利CN202275943U公开了一种水平极化平面滤波天线，其在三阶SIW谐振腔之后利用感性窗口与一个SIW缝隙辐射阵列耦合的方式实现了滤波天线，该专利由于在整体上采用水平的结构，导致平面尺寸偏大，不利于集成。

中国专利CN202308303U公开了一种垂直极化全向印刷滤波天线，采用印刷电路板工艺制作，其在三阶SIW谐振腔后的上下金属层上利用微带渐变线连接了两个串行微带阵列。该专利用微带渐变线作为连接线，不利于小型化；同时串行微带阵列和SIW谐振腔水平排布，同样面临平面尺寸偏大，不利于集成的问题。

发明内容

本发明目的在于提出一种基于SIW结构的Ka波段小型化滤波天线，以解决现有滤波天线尺寸偏大、不易集成的问题。

为实现上述目的，本发明的技术思路是：利用两片微带天线替代折叠结构的四阶SIW滤波器的上层谐振腔，使两片微带天线具有滤波器谐振单元的功能，且构成一个辐射阵列，以提高天线增益。

根据上述思路，本发明基于SIW结构的Ka波段小型化滤波天线，包括两金属层、两介质层与微带贴片；第一金属层上设有共面波导；第一介质层位于第一金属层与第二金属层之间，且在周边和中间设置有周期性金属化通孔，以构成两个SIW谐振腔，这两个SIW谐振腔之间开有感性窗口，其特征在于：

第二金属层上开有两个矩形窗口，且第一矩形窗口位于第一SIW谐振腔的上方，第二矩形窗口位于第二SIW谐振腔的上方；

第二介质层的周边和中间设置有周期性金属化通孔，以构成电磁屏蔽腔；

微带贴片设为两片，且第一微带贴片位于第二介质层的左上方，与第一SIW谐振腔相对应，第二微带贴片位于第二介质层的右上方，与第二SIW谐振腔相对应，这两个微带贴片组成辐射阵列。

作为优选，所述共面波导由50欧姆微带线与矩形窄缝构成，其宽度由第一介质层的厚度H2决定，且位于第一SIW谐振腔的长边中心。

作为优选，所述第一矩形窗口偏离第一SIW谐振腔的中心，第二矩形窗口偏离第二SIW谐振腔的中心，以构成磁耦合孔。

作为优选，所述两个SIW谐振腔关于感性窗口成轴对称，其尺寸与由周期性金属化通孔构成的电磁屏蔽腔的尺寸一致。

作为优选，所述两个微带贴片为矩形贴片结构，且大小相同，其谐振频率等于SIW谐振腔的谐振频率。

本发明具有如下优点：

1.本发明采用SIW滤波器技术与微带辐射阵列相结合的设计方法，结合折叠式的拓扑结构，即将原有滤波器上表面金属层替换成两个微带贴片，不会增加额外的尺寸，且可以避免通用电缆连接带来的损耗。

2.本发明利用两个微带贴片充当滤波器的后两阶谐振单元，使得微带贴片在充分辐射电磁波的同时还与SIW谐振腔体耦合实现滤波器的功能，且用这两片微带贴片组成一个阵列，与传统单个辐射单元充当一阶谐振单元的滤波天线相比，提高了天线增益。

附图说明

图1是本发明的整体结构展开示意图；

图2是本发明中的两个辐射单元平面示意图；

图3是本发明中的第二介质层平面示意图；

图4是本发明中的第二金属层平面示意图；

图5是本发明中的第一介质层平面示意图；

图6是本发明中的第一金属层平面示意图；

图7是本发明的反射损耗S11仿真结果图；

图8是本发明的E面和H面增益方向图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步描述。

参照图1，本实施例包括第一辐射单元1、第二辐射单元2、第二介质层3、第二金属层5、第一介质层8和第一金属层13，其中：第一金属层13上设有共面波导14；第一介质层8位于第一金属层13与第二金属层5之间，且在周边和中间设置有周期性金属化通孔12，以构成第一SIW谐振腔9与第二SIW谐振腔11，这两个SIW谐振腔之间开有感性窗口10；第二金属层5位于第一介质层8之上，其左边开有第一矩形窗口6，右边开有第二矩形窗口7；第二介质层3的周边和中间设置有周期性金属化通孔4，以形成电磁屏蔽腔；第一辐射单元1位于第二介质层3的左上方，与第一SIW谐振腔9对应；第二辐射单元2位于第二介质层3的右上方，且与第二SIW谐振腔11对应。其工作原理为：共面波导14对第一SIW谐振腔9馈电，通过感性窗口8与第二SIW谐振腔11耦合；第一辐射单元1通过第一矩形窗口6与第一SIW谐振腔9耦合，第二辐射单元2通过第二矩形窗口7与第二SIW谐振腔11耦合。

参照图2，所述辐射单元为矩形微带贴片，尺寸相等，其谐振频率与SIW谐振腔中心频率一致。

本实施例选定并不限于30GHz为微带贴片的谐振频率，第二介质层3采用介电常数为5.9，损耗正切为0.002，单层瓷片厚度为0.096mm的Ferro-A6M低温共烧陶瓷材料，其厚度为两层瓷片厚度，即H1＝0.192mm，微带贴片尺寸计算过程如下：

首先，计算微带贴片宽度W₁：

式中，ε_r表示介质的相对介电常数，f₁表示微带贴片工作的中心频率，c表示真空中的光速，计算得W₁＝2.69mm；

其次，利用已求得宽度W₁计算有效介电常数ε_e：

式中，h表示介质基板的厚度，计算得ε_e＝4.75。

最后，计算微带贴片长度L₁：

计算得到L₁＝1.97mm。

参照图3，所述第二介质层3的平面尺寸与第二金属层5、第一介质层8和第一金属层13的平面尺寸一致，其尺寸应大于所述SIW谐振腔的尺寸，本实施例选定并不限于其宽度W₂＝8mm，长度L₂＝4mm；

本实施例的SIW谐振腔的中心频率与微带贴片谐振频率一致，为30GHz，以主模为工作模式，第一介质层8同样采用Ferro-A6M低温共烧陶瓷材料，其厚度为三层瓷片厚度，即H2＝0.288mm，其宽长比与微带贴片的宽长比一致，选定金属化通孔的直径为0.1mm，孔间距为0.2mm，SIW腔体中心频率计算公式如下：

式中，m和n分别代表腔体的横边和纵边为中心频率波长的倍数，这两参数共同决定谐振腔的工作波模式，在主模工作模式下，取m＝1，n＝1；ε_r表示介质的相对介电常数；c表示真空中的光速；W_eff和L_eff表示SIW谐振腔的等效宽度和长度，这两个值的确定需要经过SIW谐振腔的实际长度和宽度修正，修正公式如下：

式中，D表示通孔直径，S为相邻通孔间距，W₃表示SIW谐振腔的实际宽度，L₃表示SIW谐振腔的实际长度。

联合以上公式，计算得到：W₃＝3.6mm，L₃＝2.6mm。

参照图4，SIW腔体与辐射单元的耦合强度由矩形窗口的尺寸和位置决定，本实施例选定并不限于第一矩形窗口6的宽和长分别为W_S1＝1.12mm，L_S1＝0.15mm，偏离第一SIW谐振腔长边的距离Y₁＝1.83mm；第二矩形窗口7的宽和长分别为W_S2＝1.14mm，L_S2＝0.15mm，偏离第二SIW谐振腔长边的距离Y₂＝2.03mm。

参照图5，所述感性窗口8的宽度L_p决定两SIW谐振腔的耦合强度，本实施例选定并不限于1.14mm。

参照图6，所述共面波导14的宽度W_j1＝0.6mm，共面波导的微带线宽度W_j2＝0.4mm，其进入SIW腔体的长度L_j决定激励源与第一SIW谐振腔的耦合强度，本实施例选定并不限于0.9mm。

本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：

采用三维电磁全波仿真软件HFSS_16.0对本发明实施例进行三维建模，仿真模型的反射损耗S11结果如图7所示，增益方向图如图8所示。

从图7可见，本实施例在通带内有四个谐振点分别为27.58GHz、28.03GHz、28.62GHz和29.27GHz，各谐振点的反射系数分别为-22dB、-20.9dB、-18.86dB和-25.03dB；-10dB的带宽为2.14GHz，相对带宽达到7.51％；其中心频率为28.36 GHz，低于初始频率1.64GHz，这是由于所述感性窗口与矩形窗口均属于磁耦合孔，磁耦合降低谐振单元的中心频率所致。

从图8可见，本实施例工作在通带中心频率时，其E面和H面辐射方向上的最大增益达到7.44dBi。

综上，本发明使用两片微带贴片替代滤波器谐振单元和折叠式的结构所设计的滤波天线具有优良的滤波性能和辐射性能，同时具有较小的尺寸，解决了现有滤波天线尺寸偏大、不易集成的问题。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，应当理解的是，此实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本技术领域人员对本发明各类型等价形式的修改均落于本发明所附权利要求所限定的范围。

Claims (7)

1.一种基于SIW结构的Ka波段小型化滤波天线，包括两金属层、两介质层与微带贴片；第一金属层(13)上设有共面波导(14)，第一介质层(8)位于第一金属层(13)与第二金属层(5)之间，且在周边和中间设置有周期性金属化通孔(12)，以构成两个SIW谐振腔(9，11)，这两个SIW谐振腔之间开有感性窗口(10)，其特征在于：

第二金属层(5)上开有两个矩形窗口(6，7)，且第一矩形窗口(6)位于第一SIW谐振腔(9)的上方，第二矩形窗口(7)位于第二SIW谐振腔(11)的上方；

第二介质层(3)位于微带贴片与第二金属层(5)之间，且在周边和中间设置有周期性金属化通孔(4)，以构成电磁屏蔽腔；

微带贴片设为两片，且第一微带贴片(1)位于第二介质层(3)的左上方，与第一SIW谐振腔(9)相对应，第二微带贴片(2)位于第二介质层(3)的右上方，与第二SIW谐振腔(11)相对应，这两个微带贴片组成辐射阵列。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：共面波导(14)由50欧姆微带线与矩形窄缝构成，其宽度由第一介质层(8)的厚度H2决定，且位于第一SIW谐振腔(9)的长边中心。

3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：第一矩形窗口(6)偏离第一SIW谐振腔(9)的中心，第二矩形窗口(7)偏离第二SIW谐振腔(11)的中心，以构成磁耦合孔。

4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：两个SIW谐振腔(9，11)关于感性窗口(10)成轴对称，且其尺寸与由周期性金属化通孔(4)构成的电磁屏蔽腔的尺寸一致。

5.根据权利要求4所述的天线，其特征在于：SIW谐振腔的尺寸计算公式如下：

其中，D表示通孔直径，S为相邻通孔间距，W表示腔体实际的长度，L表示腔体实际的宽度，W_eff表示修正后的腔体宽度，L_eff表示修正后的腔体长度，f₀表示腔体的谐振频率，c为真空中光速，ε_r为介质的相对介电常数，不同的m、n代表不同的波模式。

6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：两个微带贴片(1，2)为矩形贴片结构，且大小相同，其谐振频率等于两个SIW谐振腔(9，11)的谐振频率。

7.根据权利要求6所述的天线，其特征在于：矩形微带贴片的尺寸计算公式如下：

其中，W₁表示微带贴片的宽度，ε_r表示介质的相对介电常数，f₁表示微带贴片工作的中心频率，ε_e表示有效介电常数，h表示介质基板的厚度，L₁表示微带贴片的长度，c表示真空中的光速。

Images