CN113097711A - 一种高选择性辐射效率的基片集成波导滤波天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高选择性辐射效率的基片集成波导滤波天线，包括从下至上依次设置的第一金属层、第一介质板、第二金属层、第二介质板、第三金属层、第三介质板和第四金属层以及第一金属通孔和第二金属通孔；第三介质板与第三金属层之间保持预设的间距，形成空气层，第一金属通孔贯穿第一金属层、第一介质板和第二金属层，形成第一谐振腔，第一金属层上设有共面波导、输入馈线和输入端口，第二金属层上设有第一矩形缝隙，第二金属通孔贯穿第二介质板和第三金属层，形成第二谐振腔，第三金属层上设有第二矩形缝隙，第四金属层上设有矩形贴片阵列；本发明无需多阶谐振腔即可实现具有高选择性和高辐射效率的滤波效果，具有应用前景。

Description

一种高选择性辐射效率的基片集成波导滤波天线
技术领域
本发明涉及通讯天线的技术领域，尤其是指一种高选择性辐射效率的基片集成波导滤波天线。
背景技术
滤波器和天线的集成设计，即滤波天线，因其具有高集成度和小型化的特点被广泛应用到无线通信系统中。滤波天线常常是通过将滤波器的最后一阶谐振器替换成辐射单元来实现。然而这种方法会带来较大的插入损耗，影响天线的辐射性能。而基片集成波导具有低剖面，低损耗的特点，常常被应用于滤波器和天线的设计中。近年来，有不少学者提出利用基片集成波导技术设计滤波天线。基片集成波导滤波天线通常是在最后一个谐振腔的上方金属层切割缝隙产生辐射，形成增益滤波效果。但这种结构需要多个谐振腔耦合连接，造成较大尺寸或者较高剖面，且由于通带两侧没有辐射零点的引入，导致天线的选择性较差。因此，设计一种具有高选择性辐射效率的基片集成波导滤波天线具有重要意义。
对现有技术进行调查了解，具体如下：
X.Gong等人在2011年提出一种具有高效率的基片集成波导滤波天线，使用四阶谐振腔在同一平面耦合级联，并在最后一阶谐振腔的金属层切割缝隙辐射能量，形成增益滤波效果，并具有高达89％的效率。但该结构的尺寸较大，且其通带选择性较差。
X.Gong等人在2011年又提出另一种具有高效率的基片集成波导滤波天线，利用垂直集成的方法，两个谐振腔之间通过缝隙耦合，在最后一阶谐振腔的金属层切割缝隙辐射电磁波。但该结构使用了多层介质板，剖面较高。
总的来说，现有的工作中，有不少关于基片集成波导滤波天线的研究，但是很多结构都是基于多阶谐振腔水平集成或垂直集成，尺寸较大。
发明内容
本发明目的在于为解决现有技术中的不足，提出了一种高选择性辐射效率的基片集成波导滤波天线，该设计剖面高度小，通带选择性高，可以在4.82GHz-5.04GHz的范围内稳定工作，在4.82GHz-5.04GHz的频率范围内反射系数小于-10dB；在中心频率4.95GHz处增益为9dBi，在4.82GHz-5.04GHz的频率范围内增益平坦，其增益保持在7.6dBi-9dBi区间，且在4.75GHz频率处和5.14GHz频率处具有明显的辐射零点；在4.95GHz频率处的辐射效率为93％，且在4.85GHz-5.02GHz范围内效率高于90％。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种高选择性辐射效率的基片集成波导滤波天线，所述基片集成波导滤波天线包括从下至上依次设置的第一金属层、第一介质板、第二金属层、第二介质板、第三金属层、第三介质板和第四金属层以及第一金属通孔和第二金属通孔；其中，所述第三介质板与第三金属层之间保持预设的间距，形成有空气层，用于调节阻抗匹配和辐射效率，所述第一金属层上设有共面波导、输入馈线和输入端口，所述共面波导与输入端口通过输入馈线连接，所述第二金属层上设有至少两条第一矩形缝隙，且第一矩形缝隙呈对称排布，实现能量的耦合，所述第一金属通孔有多个依次贯穿第一金属层、第一介质板和第二金属层，并沿第一金属层边缘阵列排布，形成第一谐振腔；所述第三金属层上设有第二矩形缝隙，实现能量的辐射，所述第二金属通孔有多个依次贯穿第二介质板和第三金属层，并沿第三金属层边缘阵列排布，形成第二谐振腔；所述第四金属层上设有矩形贴片阵列，用于增大有效辐射面积。
进一步，所述基片集成波导滤波天线的剖面高度小于0.1工作频率波长。
进一步，所述第一金属层的尺寸小于第一介质板，所述第二金属层与第一介质板的尺寸相同，所述第三金属层的尺寸小于第二介质板，所述第四金属层的尺寸小于第三介质板。
进一步，所述共面波导包括L型槽线和第一微带线，所述L型槽线有两条呈对称分布，所述第一微带线设置在两条L型槽线之间，并与输入馈线连接。
进一步，所述矩形贴片阵列包括多个矩形贴片单元，其中位于矩形贴片阵列相对两侧的矩形贴片单元均设有第二微带线。
进一步，所述第一谐振腔为TE210模的谐振腔。
进一步，所述第二谐振腔为TE110模的谐振腔。
进一步，所述第一介质板、第二介质板和第三介质板的介电常数均为2.55，三者的损耗角正切均为0.0018。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
本发明无需多阶谐振腔即可实现具有高选择性和高辐射效率的滤波效果，结构简单、加工容易、尺寸小，剖面高度小于0.1工作频率波长，具有很好的应用前景。
附图说明
图1为基片集成波导滤波天线的结构示意图。
图2为基片集成波导滤波天线的介质结构图。
图3为第一介质板的上表面的结构示意图。
图4为第一介质板的下表面的结构示意图。
图5为第二介质板的上表面的结构示意图。
图6为第三介质板的上表面的结构示意图。
图7为基片集成波导滤波天线的S参数仿真结果图。
图8为基片集成波导滤波天线的增益曲线和效率曲线的仿真结果图。
图9为基片集成波导滤波天线的中心频率方向仿真结果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
参见图1至图6所示，本实施例提供了一种高选择性辐射效率的基片集成波导滤波天线，包括从下至上依次设置的第一金属层5、第一介质板1、第二金属层4、第二介质板2、第三金属层6、第三介质板3和第四金属层7以及第一金属通孔9和第二金属通孔10，所述第一金属层5的尺寸小于第一介质板1，其长度和宽度均为46.25mm，所述第二金属层4与第一介质板1的尺寸相同，两者的长度和宽度均为58mm，所述第三金属层6的尺寸小于第二介质板2，其长度和宽度为27.1mm，所述第四金属层7的尺寸小于第三介质板3，所述第一介质板1、第二介质板2和第三介质板3的介电常数均为2.55，三者的损耗角正切均为0.0018，厚度均为0.8mm，整个基片集成波导滤波天线的剖面高度小于0.1工作频率波长
其中，所述第三介质板3与第三金属层6之间保持预设的间距，形成有空气层8，所述空气层8的高度为3.5mm，用于调节阻抗匹配和辐射效率，所述第一金属通孔9有多个依次贯穿第一金属层5、第一介质板1和第二金属层4，其直径为1.625mm，每个第一金属通孔9的间距为3.25mm，所述第一金属通孔9沿第一金属层5边缘阵列排布，形成第一谐振腔(TE210模谐振腔)，所述第一谐振腔的长度和宽度均为42.25mm，所述第一金属层5上设有共面波导13、输入馈线14和输入端口15，所述共面波导13包括L型槽线和第一微带线，所述L型槽线有两条呈对称分布，所述L型槽线的长边长度为8.5mm，宽度为0.5mm，其短边的长度为3.5mm，宽度为0.5mm，所述第一微带线设置在两条L型槽线之间，其长度为8.5mm，宽度为3mm，并与输入馈线14连接，所述共面波导13与输入端口15通过输入馈线14连接，所述输入馈线的长度为5.875mm，宽度为3mm，所述第二金属层4上设有至少两条第一矩形缝隙11，且第一矩形缝隙11呈对称排布，实现能量的耦合，所述第一矩形缝隙11的长度为16mm，其宽度为0.6mm；所述第二金属通孔10有多个依次贯穿第二介质板2和第三金属层6，其直径为1.65mm，每个第二金属通孔10的间距为3.3mm，所述第二金属通孔10沿第三金属层6边缘阵列排布，形成第二谐振腔(TE110模谐振腔)，所述第二谐振腔的长度和宽度均为23.1mm，所述第三金属层6上设有第二矩形缝隙12，所述第二矩形缝隙12长度为20mm，宽度为1mm，用于实现能量的辐射；所述第四金属层7上设有矩形贴片阵列16，用于增大有效辐射面积，所述矩形贴片阵列16由36个长度和宽度为6mm，间距为0.5mm的矩形贴片单元组成，位于矩形贴片阵列16相对两侧的矩形贴片单元均设有第二微带线，第二微带线的长度为5mm，宽度为1mm。
参见图7所示，为本实施例上述基片集成波导滤波天线的S参数仿真结果。可以看出，本发明反射系数小于-10dB的频率范围为4.82GHz-5.04GHz，相对带宽为4.4％。
参见图8所示，为本实施例上述基片集成波导滤波天线的增益曲线和效率曲线仿真结果。可以看出，本发明在4.84GHz-5.02GHz的频率范围内，天线的辐射效率较高，保持在90％以上，且在中心频率4.95GHz处效率达到93％。增益在中心频率4.95GHz处达到9dBi，且在4.75GHz和5.14GHz处具有两个辐射零点，提高了选择性。
参见图9所示，为本实施例上述基片集成波导滤波天线的中心频率方向仿真结果。可以看出，本发明在中心频率的方向图为边射特性，且E面的半功率波束宽度为55°，交叉极化水平为-19dB；H面的半功率波束宽度为67°，交叉极化水平为-35dB。
以上所述之实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种高选择性辐射效率的基片集成波导滤波天线，其特征在于：所述基片集成波导滤波天线包括从下至上依次设置的第一金属层(5)、第一介质板(1)、第二金属层(4)、第二介质板(2)、第三金属层(6)、第三介质板(3)和第四金属层(7)以及第一金属通孔(9)和第二金属通孔(10)；其中，所述第三介质板(3)与第三金属层(6)之间保持预设的间距，形成有空气层(8)，用于调节阻抗匹配和辐射效率，所述第一金属层(5)上设有共面波导(13)、输入馈线(14)和输入端口(15)，所述共面波导(13)与输入端口(15)通过输入馈线(14)连接，所述第二金属层(4)上设有至少两条第一矩形缝隙(11)，且第一矩形缝隙(11)呈对称排布，实现能量的耦合，所述第一金属通孔(9)有多个依次贯穿第一金属层(5)、第一介质板(1)和第二金属层(4)，并沿第一金属层(5)边缘阵列排布，形成第一谐振腔；所述第三金属层(6)上设有第二矩形缝隙(12)，实现能量的辐射，所述第二金属通孔(10)有多个依次贯穿第二介质板(2)和第三金属层(6)，并沿第三金属层(6)边缘阵列排布，形成第二谐振腔；所述第四金属层(7)上设有矩形贴片阵列(16)，用于增大有效辐射面积。
2.根据权利要求1所述的一种高选择性辐射效率的基片集成波导滤波天线，其特征在于：所述基片集成波导滤波天线的剖面高度小于0.1工作频率波长。
3.根据权利要求1所述的一种高选择性辐射效率的基片集成波导滤波天线，其特征在于：所述第一金属层(5)的尺寸小于第一介质板(1)，所述第二金属层(4)与第一介质板(1)的尺寸相同，所述第三金属层(6)的尺寸小于第二介质板(2)，所述第四金属层(7)的尺寸小于第三介质板(3)。
4.根据权利要求1所述的一种高选择性辐射效率的基片集成波导滤波天线，其特征在于：所述共面波导(13)包括L型槽线和第一微带线，所述L型槽线有两条呈对称分布，所述第一微带线设置在两条L型槽线之间，并与输入馈线(14)连接。
5.根据权利要求1所述的一种高选择性辐射效率的基片集成波导滤波天线，其特征在于：所述矩形贴片阵列(16)包括多个矩形贴片单元，其中位于矩形贴片阵列(16)相对两侧的矩形贴片单元均设有第二微带线。
6.根据权利要求1所述的一种高选择性辐射效率的基片集成波导滤波天线，其特征在于：所述第一谐振腔为TE210模的谐振腔。
7.根据权利要求1所述的一种高选择性辐射效率的基片集成波导滤波天线，其特征在于：所述第二谐振腔为TE110模的谐振腔。
8.根据权利要求1所述的一种高选择性辐射效率的基片集成波导滤波天线，其特征在于：所述第一介质板(1)、第二介质板(2)和第三介质板(3)的介电常数均为2.55，三者的损耗角正切均为0.0018。
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K. XIANG ET AL.: "A Broadband Filtering Patch Antenna Using Partially Reflective Surface", 《2019 INTERNATIONAL CONFERENCE ON MICROWAVE AND MILLIMETER WAVE TECHNOLOGY (ICMMT)》, 13 February 2020 (2020-02-13) *
陈思: "高性能超表面天线及阵列的研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》 *
陈思: "高性能超表面天线及阵列的研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》, 15 June 2020 (2020-06-15) *

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