CN113922073A - 一种紧凑型高增益单馈毫米波背腔贴片滤波天线 - Google Patents

一种紧凑型高增益单馈毫米波背腔贴片滤波天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种紧凑型高增益单馈毫米波背腔贴片滤波天线。本发明天线具体是在单个基片集成波导腔体中进行了天线和滤波器的一体化设计，通过耦合缝隙对谐振腔进行馈电，将具有低损耗特点的介质集成波导技术和谐振腔的高阶模相结合，用一个简单的馈电网络实现了紧凑的低剖面滤波天线子阵。由于不含额外的滤波电路，本发明解决了介质集成波导相对于微带线尺寸较大所引起的基于介质集成波导技术的滤波天线的馈电结构过于冗杂的问题。此外该设计不仅在引入滤波特性的同时保持了尺寸的紧凑还避免了不必要的插入损耗。由于馈电结构的简单可方便地用于大型阵列的构建。总之，本发明的天线具备结构紧凑，低剖面，高选择性，高增益和宽工作带宽的特点。

Description

一种紧凑型高增益单馈毫米波背腔贴片滤波天线
技术领域
本发明属于无线通信终端的天线技术领域，涉及一种紧凑型高增益单馈毫米波背腔贴片滤波天线，可作为小型化无线收发机射频前端的天线，广泛应用于移动通信、卫星通信以及雷达等无线通信系统中。
背景技术
在5G通信应用中，毫米波天线被提出用于解决频谱资源紧张的问题，而高增益、宽带宽、结构紧凑且成本低廉的毫米波天线是5G通信系统所迫切需求的。提高天线增益的一个常规操作是进行阵列设计，而阵列所必须的馈电网络会带来额外的损耗，因此具有馈电结构的天线在进行阵列设计中将具备显著优势。另外，目前大多数高增益的平面天线阵列是基于微带技术进行设计的。微带技术具备设计灵活，价格低廉，低剖面且易集成等显著优势，但是在毫米波频段，其额外的寄生辐射损耗将会变得不可忽略。大的寄生辐射损耗对于要实现高增益特性的天线或者阵列而言是不可接受的。作为替代，具有低剖面，低损耗特点的基片集成波导(Substrate integrated waveguide,SIW)技术近年来受到了研究者们的普遍关注并已经被大量用于毫米波天线的设计。在基于SIW的天线设计中，SIW背腔天线能够进一步提高天线的增益由此被大量用于高增益天线的设计。目前，SIW背腔天线主要分为缝隙背腔天线和贴片背腔天线两类。相比于缝隙背腔天线，背腔贴片天线具备更高的天线增益，且由于由额外的贴片模式所引入的额外的谐振点，其工作带宽也得到了进一步的拓展。
另一方面，将射频前端器件中不可或缺的天线和滤波器进行一体化设计的滤波天线以其小型化、低损耗的显著优势获得了业界的广泛关注。目前，基于微带技术的高选择性、宽带宽的滤波天线已经被大量研制，而高增益滤波天线尤其是毫米波高增益滤波天线阵列的研发却进展缓慢。这是因为基于微带技术的毫米波滤波天线存在不可忽略的寄生辐射问题，而基于SIW技术的滤波天线存在滤波结构设计难度较高的问题。目前已报道的大多数滤波天线的实现都是依托于将滤波电路集成在天线的馈电网络中，由此导致了馈电网络的复杂化。而SIW技术相比于微带技术的一个劣势在于其相对较大的体积，这使得基于SIW的集成有滤波电路的馈电网络将需要很大的铺设空间，这直接导致了阵列设计的难以实现。
综上所述，为了实现毫米波滤波天线阵列设计，本发明通过引入高阶谐振腔模式，提出了一种基于SIW技术的不含额外滤波电路的滤波天线设计方案。本发明提出的天线可看作一个2*2的天线阵列，而相比于传统的2*2滤波天线阵列，本发明具备极其简单的馈电网络，这对于以此为基础进行大规模的阵列设计具有重要意义。此外，本发明所提出的天线还具备高选择性、高增益以及宽工作带宽。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种紧凑型高增益单馈毫米波背腔贴片滤波天线，具体是在单个基片集成波导腔体中进行了天线和滤波器的一体化设计，通过耦合缝隙对谐振腔进行馈电。本发明提出的天线结构十分简单，只使用了两层介质基板，一个基片集成波导谐振腔以及一个基片集成波导，其加工十分简单，制作成本也很低。此外，在结构简单的同时该天线还具有良好的辐射特性，其带宽、增益均十分优良。
实现本发明目的的技术解决方案：
紧凑的高增益单馈毫米波背腔贴片滤波天线，从上至下依次包括上层金属面M1、上层介质基板S1、中间金属面M2、下层介质基板S2、下层金属面M3；
所述上层介质基板S1内设有谐振腔C，该谐振腔C由周期性分布的多个第一金属化通孔围合而成；所述谐振腔C中心设有由周期性分布的多个第二金属化通孔构成的十字金属壁WV；所述十字金属壁WV将所述谐振腔C分为四个完全相同的区域CS；
所述第一金属化通孔、第二金属化通孔、短路金属化通孔VT贯穿上层介质基板S1；
所述上层金属面M1覆盖在所述上层介质基板S1的上表面；所述上层金属面M1开有四个镂空区域，所述四个镂空区域的中心与四个区域CS的中心一一对应；所述四个镂空区域均设有金属贴片P，所述金属贴片P与上层金属面M1不接触，即金属贴片P与上层金属面M1间留有环形缝隙A；所述上层金属面M1在谐振腔C四个角相对应位置各开有一窄缝SP；四个窄缝SP关于谐振腔C中心对称；
所述中层金属面M2位于上层介质基板S1的下表面和下层介质基板S2的上表面；所述中层金属面M2上蚀刻有耦合窄缝隙ST，所述耦合窄缝隙ST与十字金属壁的一臂平行且贴近于谐振腔C的金属化通孔壁；
所述下层介质基板S2内设有一个基片集成波导W，该基片集成波导W由中层金属面M2、下层金属面M3、周期性分布的多个第三金属化通孔构成；所述基片集成波导W内设有一阻抗匹配金属化通孔VB，且所述基片集成波导W的位于下层介质基板S2边缘一端开放设置；
所述第三金属化通孔贯穿下层介质基板S2；
所述下层金属面M3设置在下层介质基板S2的下表面；所述下层金属面M3蚀刻有一共面波导T；所述一共面波导T位于基片集成波导W开放端对应位置，且位于所述基片集成波导W内；所述共面波导T由一对轴对称设置的缝隙枝节构成；所述缝隙枝节不与基片集成波导W接触。
作为优选，所述的介质集成波导谐振腔C的尺寸满足使其实现主要工作在TE410模式和TE330模式；
作为优选，所述的介质集成波导谐振腔C中每个区域CS的尺寸满足实现工作在对角TE120模式；
作为优选，利用环形缝隙A与金属贴片P之间的混合电磁耦合在工作频带上边带引入了一个增益零点，利用介质集成波导的截止频率使工作频带下边带发生了急剧的滚降；
作为优选，所述区域CS的中心各设有一短路金属化通孔VT。
作为优选，所述谐振腔C为方形，其边长为1.45-1.55λ0(λ0为自由空间波长)；所述镂空区域为方形，其边长为0.39-0.395λ0；所述金属贴片P为方形，其边长Lp为0.28-0.3λ0；
作为优选，所述十字金属壁WV的臂部端点到谐振腔C的金属壁的距离Lw为0.5-0.6λ0；
作为优选，所述窄缝SP的长度为0.27-0.29λ0，其到谐振腔中心的距离为0.8-0.9λ0；
作为优先，所述耦合窄缝隙ST中心到邻近的谐振腔C壁的距离为0.05-0.06λ0；
作为优选，所述的基片集成波导W的靠近介质基板S1边缘外侧壁与谐振腔C的其中一个金属化通孔壁对齐；
作为优选，所述缝隙枝节为一体成型结构，包括水平缝隙和向外延伸的45°角倾斜缝隙；
作为优选，所述窄缝SP与十字金属壁的任意一臂的夹角为45°；
作为优先，所述的金属面M1，M2，M3与介质基板S1，S2均为正方形，尺寸相同且中心重合；
作为优选，所述的阻抗匹配金属化通孔VB与第一至三金属化通孔的尺寸相同；
作为优选，所述的共面波导T关于基片集成波导W的对称轴对称。
工作过程：
谐振腔C可以看作四个工作在对角TE120模式下的小谐振腔，其实际的工作模式为TE410模式和TE330模式。用耦合窄缝隙ST对谐振腔C进行馈电时，该模式能够被有效激发。环形缝隙A用于辐射工作在TE410和TE330模式工作下的电磁波，辐射贴片P用于引入贴片模式TM01。TE410模式可产生一个带内谐振点，TE330模式可产生一个带内谐振点，金属贴片可引入一个带内谐振点，而短路金属化通孔VT通过改变谐振腔的电场分布也可以引入一个带内谐振点。其中，由于腔内能量分布不均匀，最低频处的谐振点所产生的辐射方向图发生了偏头现象，为了矫正它，在谐振腔C的四角蚀刻了四个矩形窄缝SP。本发明的滤波特性来源于混合电磁耦合和基片集成波导的截止频率。环形缝隙A与辐射贴片P之间发生的混合电磁耦合将会在工作频带的上边缘产生一个辐射零点，而基片集成波导的截止频率被设定在工作频带的下边缘。由此，陡峭的边缘滚降以及良好的带外抑制被成功实现。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1)结构紧凑：不同于传统的2*2阵列，本发明的天线虽然看似是一个2*2阵列，实际上是作为一个整体工作在高阶谐振腔模式下，因此本发明的结构是十分紧凑的。
2)馈电结构简单：本发明仅需要一个基片集成波导来馈电，不需要额外的功率分配器，因此空间占用率很少。富余的空间对于以此为基础进行更大规模的阵列设计具有重要意义。
3)设计简单：本发明仅通过谐振腔中心的十字金属壁WV对本不能产生同相辐射的TE410和TE330模式进行了扰动，将其场分布一分为四，每个小腔内的场分布与腔模TE120类似，从而实现了同相辐射。
4)不含额外的滤波电路：本发明滤波特性的引入不依赖于额外的滤波电路，从而实现了上述紧凑的结构和简单的馈电结构；与此同时，不含额外的滤波电路也意味着更低的插入损耗。
5)高选择性，高增益，宽带宽：基片集成波导的截止频率和混合电磁耦合引入的辐射零点十分贴近工作频点，因为本发明的选择性十分优越；背腔贴片结构以及2*2的子阵设计赋予了本发明高增益特性；四个带内谐振点的实现使本发明的带宽十分宽。
附图说明
图1是本发明的立体结构分解示意图；
图2是本发明的立体结构示意图；
图3是本发明上层介质基板，包含上层金属面和中层金属面的俯视图；
图4是本发明下层介质基板，包含下层金属面和中层金属面的俯视图；
图5是本发明S参数曲线的仿真图；
图6是本发明增益曲线的仿真图；
图7是本发明在右旋圆极化工作状态下26.64GHz处的辐射方向图的仿真图；
图8是本发明在右旋圆极化工作状态下28GHz处的辐射方向图的仿真图；
图9是本发明在右旋圆极化工作状态下29.68GHz处的辐射方向图的仿真图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
结合图1和图2，紧凑的高增益单馈毫米波背腔贴片滤波天线，包括两层厚度为0.508mm的Rogers5880介质基板S1，S2以及与介质基板同尺寸的上层金属面M1，中层金属面M2和下层金属面M3。
在介质基板S1中蚀刻有一边长为16mm、由周期性分布的多个贯穿介质基板S1的第一金属化通孔围成的谐振腔C。第一金属化通孔的直径为0.4mm，小于天线工作的中心频率所对应空气波长的十分之一。相邻两个金属化通孔的孔心距为0.8mm。所述谐振腔C中心设有由两排正交的第二金属化通孔列构成的十字金属壁WV；所述十字金属壁WV将所述谐振腔C分为四个完全相同的方形区域CS；所述区域CS的中心各设有一短路金属化通孔VT。
在下层介质基板S2中蚀刻有一基片集成矩形波导W，其宽度为4.3mm，基片集成矩形波导W的靠近介质基板S1边缘外侧壁与谐振腔C的其中一个金属化通孔壁对齐。所述基片集成波导W内设有一阻抗匹配金属化通孔VB，且所述基片集成波导W的位于下层介质基板S2边缘一端开放设置。
基片集成矩形波导W内设有用于阻抗匹配的金属化通孔VB，该金属化通孔VB位于基片集成矩形波导W的中轴线上。
由图3所示，上层金属面M1的四个方形区域CS对应位置中心刻有一方形镂空区域，其方形镂空区域中心设有一方形金属贴片P，该方形金属贴片P与上层金属面M1间留有方环形缝隙A。方形区域CS、方环形缝隙A、金属贴片P与短路金属化通孔VT中心重合。上层金属面M1的谐振腔C四角对应位置各开有一矩形窄缝隙SP，该矩形窄缝隙SP对应位于谐振腔C内，且与谐振腔C金属化通孔壁接触。
由图4所示，中层金属面上蚀刻有一耦合窄缝隙ST，耦合窄缝隙ST贴近于邻近的谐振腔金属化通孔壁。下层金属面蚀刻有一共面波导T，共面波导T包括基片边缘向内延伸的两个缝隙枝节，所述缝隙枝节为一体成型结构，从外至内依次包括水平缝隙和向外延伸的45°角倾斜缝隙。共面波导T对应位于基片集成波导W开放端内位置；
所述的谐振腔C与介质基板S1中心重合；区域CS，环形缝隙A，金属贴片P与短路金属化通孔VT中心重合。
经优化后具体结构几何参数如下表1：
表1
Figure BDA0003290943790000061
Figure BDA0003290943790000071
其中h1和h2为上下层介质基板的厚度，Wc为基片集成波导腔体的边长，Lw为十字金属壁WV的臂部端点到谐振腔C金属化通孔壁的距离，Wwg为基片集成波导的宽度，d表示用于阻抗匹配的金属化通孔VB、第一至三金属化通孔的直径，dp为相邻第一金属化通孔的间距，d1为短路金属化通孔VT的直径，dvx表示金属化通孔VB距离基片集成波导的上下金属化通孔壁的距离，Lp为金属贴片P的边长，gp为环形缝隙A的宽度，ls和ws为上层金属面位于谐振腔四角的矩形窄缝隙SP的长度和宽度，ds为矩形窄缝隙SP到上层金属面中心(即谐振腔C中心)的距离，wc为下层金属面上的共面波导T两缝隙枝节之间的中间传输线宽度，gc为共面波导的缝隙枝节的宽度，lc1为延伸至基片集成波导内部用于阻抗匹配的枝节长度(即水平缝隙长度)，lc2为与水平缝隙连接的向外延伸的45°角倾斜缝隙长度的长度。
图5～9为本发明紧凑的高增益单馈毫米波背腔贴片滤波天线的仿真结果。由图5可见，该天线的-10dB|S11|为12.1％。由图6可见，该天线的最高增益为13.56dBi，带内增益较为平坦，在两边的工作频带外都可以看到明显的快速滚降。图7～9表明该天线在整个工作频带内都有稳定良好的定向辐射。

Claims (10)

1.一种紧凑型高增益单馈毫米波背腔贴片滤波天线，其特征在于从上至下依次包括上层金属面M1、上层介质基板S1、中间金属面M2、下层介质基板S2、下层金属面M3；
所述上层介质基板S1内设有谐振腔C，该谐振腔C由周期性分布的多个第一金属化通孔围合而成；所述谐振腔C中心设有由周期性分布的多个第二金属化通孔构成的十字金属壁WV；所述十字金属壁WV将所述谐振腔C分为四个完全相同的区域CS；
所述第一金属化通孔、第二金属化通孔、短路金属化通孔VT贯穿上层介质基板S1，其两端分别与上层金属面M1、中间金属面M2连接；
所述上层金属面M1开有四个镂空区域，所述四个镂空区域的中心与四个区域CS的中心一一对应；所述四个镂空区域均设有金属贴片P，所述金属贴片P与上层金属面M1间留有环形缝隙A；所述上层金属面M1在谐振腔C四个角相对应位置各开有一窄缝SP；四个窄缝SP关于谐振腔C中心对称；
所述中层金属面M2上蚀刻有耦合窄缝隙ST，所述耦合窄缝隙ST与十字金属壁的一臂平行且贴近于谐振腔C的金属化通孔壁；
所述下层介质基板S2内设有一个基片集成波导W，该基片集成波导W由中层金属面M2、下层金属面M3、周期性分布的多个第三金属化通孔构成；所述基片集成波导W内设有一阻抗匹配金属化通孔VB；
所述第三金属化通孔贯穿下层介质基板S2，其两端分别与中间金属面M2、下层金属面M3连接；
所述下层金属面M3设置在下层介质基板S2的下表面；所述下层金属面M3蚀刻有一共面波导T。
2.如权利要求1所述的一种紧凑型高增益单馈毫米波背腔贴片滤波天线，其特征在于所述基片集成波导W的位于下层介质基板S2边缘一端开放设置；所述一共面波导T位于基片集成波导W开放端对应位置。
3.如权利要求2所述的一种紧凑型高增益单馈毫米波背腔贴片滤波天线，其特征在于所述共面波导T由一对轴对称设置的缝隙枝节构成；所述缝隙枝节与基片集成波导W不接触。
4.如权利要求3所述的一种紧凑型高增益单馈毫米波背腔贴片滤波天线，其特征在于所述缝隙枝节为一体成型结构，包括水平缝隙和向外延伸的45°角倾斜缝隙。
5.如权利要求1所述的一种紧凑型高增益单馈毫米波背腔贴片滤波天线，其特征在于所述的介质集成波导谐振腔C的尺寸满足使其实现主要工作在TE410模式和TE330模式；所述的介质集成波导谐振腔C中每个区域CS的尺寸满足实现工作在对角TE120模式。
6.如权利要求1所述的一种紧凑型高增益单馈毫米波背腔贴片滤波天线，其特征在于利用环形缝隙A与金属贴片P之间的混合电磁耦合在工作频带上边带引入一个增益零点，利用介质集成波导的截止频率使工作频带下边带发生了急剧的滚降。
7.如权利要求1所述的一种紧凑型高增益单馈毫米波背腔贴片滤波天线，其特征在于所述区域CS的中心各设有一短路金属化通孔VT。
8.如权利要求1所述的一种紧凑型高增益单馈毫米波背腔贴片滤波天线，其特征在于所述谐振腔C为方形，其边长为1.45-1.55λ0，λ0为自由空间波长；所述镂空区域为方形，其边长为0.39-0.395λ0；所述金属贴片P为方形，其边长Lp为0.28-0.3λ0；所述十字金属壁WV的臂部端点到谐振腔C的金属壁的距离Lw为0.5-0.6λ0；所述窄缝SP的长度为0.27-0.29λ0，其到谐振腔中心的距离为0.8-0.9λ0；所述耦合窄缝隙ST中心到邻近的谐振腔C壁的距离为0.05-0.06λ0。
9.如权利要求1所述的一种紧凑型高增益单馈毫米波背腔贴片滤波天线，其特征在于所述的基片集成波导W的靠近介质基板S1边缘外侧壁与谐振腔C的其中一个金属化通孔壁对齐。
10.如权利要求1所述的一种紧凑型高增益单馈毫米波背腔贴片滤波天线，其特征在于所述窄缝SP与十字金属壁的任意一臂的夹角为45°。
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