CN113964495B - 一种集成基片间隙波导滤波天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种集成基片间隙波导滤波天线，包括：由上至下依次设置的辐射层介质板、中间层介质板、间隙层介质板和通孔层介质板；所述辐射层介质板的上表面印刷有辐射结构；所述中间层介质板的上表面印刷有第一金属层，所述第一金属层上刻蚀有工字型缝隙；所述间隙层介质板的上表面印刷有馈电结构；所述通孔层介质板为蘑菇状的电磁带隙阵列结构；所述辐射结构与所述馈电结构组成滤波结构。本发明使得天线的杂散模式被有效抑制，而且减小了表面波效应的影响，且相比于其他天线，本发明具备生产成本低、易于与有源器件集成和封装、将滤波与辐射集成一体化的优点。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种集成基片间隙波导滤波天线。
背景技术
随着5G无线通信技术的发展，移动通信终端朝着小型化、紧凑型和多功能的方向发展，印制型毫米波滤波天线由于其尺寸小、具备滤波性能、易于集成和宽带等优势吸引了越来越多的兴趣。
波导是导引电磁波传输的载体，其性能优良的波导不仅能够提高信号的传输速率，而且可以降低波导在射频电路中的插入损耗；集成基片间隙波导(IntegratedSubstrate Gap Waveguide，简称ISGW)作为一种能够传输TEM(TransverseElectromagnetic Wave)波的结构，其具备易于集成、重量轻、成本低、辐射损耗和模式转换损耗小等优点；TEM波是指电场和磁场都在垂直于传播方向的平面上的一种电磁波。
现有的基于集成基片间隙波导的天线结构复杂，难以集成，且杂波影响较大，不能有效的得到期望波。
本发明使用ISGW抑制其他不想要的杂散模式，以确保准TEM模式的传输，通带上下边缘的杂散模式被有效抑制(获得宽阻带特性)的同时减小了表面波边缘效应的影响，增强了天线的方向性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种集成基片间隙波导滤波天线，克服普通天线难以集成、阻带窄和表面波影响大等问题，该天线用于微波、毫米波和太赫兹无线通信终端。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种集成基片间隙波导滤波天线，包括：由上至下依次设置的辐射层介质板、中间层介质板、间隙层介质板和通孔层介质板；
所述辐射层介质板的上表面印刷有辐射结构；
所述中间层介质板的上表面印刷有第一金属层，所述第一金属层上刻蚀有工字型缝隙；
所述间隙层介质板的上表面印刷有馈电结构；
所述通孔层介质板的下表面印刷有第二金属层；所述通孔层介质板的上表面印刷有呈周期阵列分布的M个圆形金属片；各所述圆形金属片与所述第二金属层之间均贯通连接有一个金属过孔，组成蘑菇状的电磁带隙阵列结构；M为大于1的正整数；
所述辐射结构与所述馈电结构组成滤波结构。
优选地，所述辐射结构包括N个矩形金属片；N为大于或等于1的正整数。
优选地，所述矩形金属片的长轴方向与所述工字型缝隙的垂直轴方向平行。
优选地，所述馈电结构包括第一阶跃阻抗谐振器、第二阶跃阻抗谐振器和均匀阻抗谐振器；
所述第一阶跃阻抗谐振器和所述第二阶跃阻抗谐振器均为凹型；
所述第一阶跃阻抗谐振器和所述第二阶跃阻抗谐振器相对设置且留有缝隙；所述均匀阻抗谐振器位于所述第一阶跃阻抗谐振器和所述第二阶跃阻抗谐振器之间且留有缝隙；
所述第一阶跃阻抗谐振器连接外部激励信号。
优选地，所述辐射结构、所述第一金属层、所述馈电结构、所述第二金属层、所述圆形金属片和所述金属过孔均为PEC材质。
优选地，调整所述矩形金属片的长轴长度，天线的电容增加，电感降低，辐射电阻增加，空载品质因数增加。
优选地，调整所述金属过孔的半径、高度和周期长度，所述金属过孔的表面波带隙改变，所述表面波带隙覆盖天线的工作频带。
优选地，所述辐射层介质板、所述中间层介质板、所述间隙层介质板和所述通孔层介质板之间通过尼龙螺丝固定。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明涉及一种集成基片间隙波导滤波天线，包括：由上至下依次设置的辐射层介质板、中间层介质板、间隙层介质板和通孔层介质板；所述辐射层介质板的上表面印刷有辐射结构；所述中间层介质板的上表面印刷有第一金属层，所述第一金属层上刻蚀有工字型缝隙；所述间隙层介质板的上表面印刷有馈电结构；所述通孔层介质板为蘑菇状的电磁带隙阵列结构；所述辐射结构与所述馈电结构组成滤波结构。本发明使得天线的杂散模式被有效抑制，而且减小了表面波效应的影响，且相比于其他天线，本发明具备生产成本低、易于与有源器件集成和封装、将滤波与辐射集成一体化的优点。
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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明集成基片间隙波导滤波天线结构图；
图2为本发明辐射层介质板的上表面示意图；
图3为本发明中间层介质板的上表面示意图；
图4为本发明间隙层介质板的上表面示意图；
图5为本发明通孔层介质板的上表面示意图；
图6为本发明通孔层介质板的下表面示意图；
图7为本发明集成基片间隙波导滤波天线的等效电路的输入阻抗曲线图；
图8为本发明集成基片间隙波导滤波天线中ISGW结构对杂散模式的影响示意图；
图9为本发明集成基片间隙波导滤波天线的通带示意图；
图10为本发明集成基片间隙波导滤波天线的ISGW结构对边缘电场的影响示意图；
图11为本发明金属过孔的半径和圆形金属片的半径对杂散模式的影响示意图；
图12为本发明集成基片间隙波导滤波天线二维辐射方向图。
符号说明：1-辐射层介质板，2-中间层介质板，3-间隙层介质板，4-通孔层介质板，11-矩形金属片，21-第一金属层，22-工字型缝隙，31-第一阶跃阻抗谐振器，32-第二阶跃阻抗谐振器，33-均匀阻抗谐振器，41-第二金属层，42-圆形金属片，43-金属过孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种集成基片间隙波导滤波天线，克服普通天线难以集成、阻带窄和表面波影响大等问题，该天线用于微波、毫米波和太赫兹无线通信终端。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明集成基片间隙波导滤波天线结构图。如图所示，本发明提供一种集成基片间隙波导滤波天线，包括：由上至下依次设置的辐射层介质板、中间层介质板、间隙层介质板和通孔层介质板。本实施例中，所述辐射层介质板、所述中间层介质板、所述间隙层介质板和所述通孔层介质板的大小与材质均相同，以减小电磁能量在不同层介质板的渗透效应，具体地，所述辐射层介质板、所述中间层介质板、所述间隙层介质板和所述通孔层介质板均为介电常数为3.38、损耗角正切为0.0027的Rogers 4003C板材。所述辐射层介质板、所述中间层介质板和所述间隙层介质板的厚度均为0.203mm，所述通孔层介质板的厚度为0.813mm，所述通孔层介质板的厚度偏大以便于加工测试。所述集成基片间隙波导滤波天线的尺寸为18*19*1.42mm3。
其中，如图2所示，所述辐射层介质板的上表面印刷有辐射结构。具体地，所述辐射结构包括N个矩形金属片，N个所述矩形金属片呈平行对齐分布；N为大于或等于1的正整数。本实施例中，N取4。各所述矩形金属片的大小完全相同，且材质均为PEC材质，具体为铜。图2中的虚线为所述矩形金属片的长轴方向。
调整所述矩形金属片的长轴长度，天线的电容增加，电感降低，辐射电阻增加，空载品质因数增加。
如图3所示，所述中间层介质板的上表面印刷有第一金属层，所述第一金属层上刻蚀有工字型缝隙。本实施例中，所述矩形金属片的长轴方向与所述工字型缝隙的垂直轴方向平行。所述矩形金属片的材质为PEC材质，具体为铜。所述工字型缝隙可以提高耦合缝隙处的电阻，以缩减垂直轴方向尺寸的大小。图3中的虚线为所述工字型缝隙的垂直轴方向。
如图4所示，所述间隙层介质板的上表面印刷有馈电结构。所述馈电结构包括第一阶跃阻抗谐振器、第二阶跃阻抗谐振器和均匀阻抗谐振器。所述第一阶跃阻抗谐振器、所述第二阶跃阻抗谐振器和所述均匀阻抗谐振器的材质均为PEC材质，具体为铜。
所述第一阶跃阻抗谐振器和所述第二阶跃阻抗谐振器均为凹型。
所述第一阶跃阻抗谐振器和所述第二阶跃阻抗谐振器相对设置且留有缝隙；所述均匀阻抗谐振器位于所述第一阶跃阻抗谐振器和所述第二阶跃阻抗谐振器之间且留有缝隙。
所述第一阶跃阻抗谐振器连接外部激励信号。
所述辐射结构与所述馈电结构组成滤波结构，从而实现滤波功能。
所述第二阶跃阻抗谐振器传输电磁能量给所述工字型缝隙，所述工字型缝隙将所述电磁能量耦合馈电至所述辐射结构。
优选地，所述第二阶跃阻抗谐振器延伸至所述工字型缝隙的中间位置。
所述第一阶跃阻抗谐振器、所述第二阶跃阻抗谐振器和所述均匀阻抗谐振器可以灵活调控耦合强度的大小和阻抗匹配的大小。
如图5和6所示，所述通孔层介质板的下表面印刷有第二金属层；所述通孔层介质板的上表面印刷有呈周期阵列分布的M个圆形金属片；各所述圆形金属片与所述第二金属层之间均贯通连接有一个金属过孔，组成蘑菇状的电磁带隙阵列结构；M为大于1的正整数。
所述通孔层介质板、所述第二金属层、所述圆形金属片、所述金属过孔和所述间隙层介质板构成三层集成基片间隙波导结构。
调整所述金属过孔的半径、高度和周期长度，所述金属过孔的表面波带隙改变，所述表面波带隙覆盖天线的工作频带。
所述辐射层介质板、所述中间层介质板、所述间隙层介质板和所述通孔层介质板之间通过尼龙螺丝固定。
图7为本发明集成基片间隙波导滤波天线的等效电路的输入阻抗曲线图。从图中可以看出，滤波天线的谐振频率约为25GHz，对设计该类型的天线提供了理论指导。
图8为本发明集成基片间隙波导滤波天线对杂散模式的影响示意图。图中|S11|为天线反射系数的幅值，从图中可以得到：加载ISGW单元后通带上、下边缘的杂散模式被有效抑制，有利于降低器件之间的相互干扰。
图9为本发明集成基片间隙波导滤波天线的通带示意图；从图9可以看出，天线的中心频率为25GHz，-10dB阻抗带宽为9.6％，带内平均增益为7.8dBi,带外抑制水平为20.7dB。|S21|为等效电路双端口网络传输系数的幅值，曲线与仿真的归一化增益曲线表现出了良好的一致性(通带相互重合)，仿真的归一化增益曲线更陡峭的原因归结为ISGW结构实现了人工磁导体(Artificial Magnetic Conductor，简称AMC)功能。
图10为本发明集成基片间隙波导滤波天线的ISGW结构对边缘电场的影响示意图。从图中可以得到，ISGW结构将边缘场的抑制提高了19dB，即表面波产生的边缘效应被有效抑制。
图11为本发明金属过孔的半径和圆形金属片的半径对杂散模式的影响示意图。如图a所示，当金属过孔的直径减小时，其等效电感增大使得ISGW结构的低频截止频率降低；也就是说，减小金属过孔的直径可使得低频边带的杂散模式往更低频移动。如图b所示，当圆形金属片的直径增大时，其相邻单元之间的耦合增大使得等效电感增大，同样导致ISGW结构低频截止频率模朝着低频移动；也就是说，适当的ISGW结构的金属过孔的半径和圆形金属片的半径可将杂散模式有效抑制。
图12为本发明集成基片间隙波导滤波天线二维辐射方向图。其中，图a为24GHz二维辐射方向图，图b为25GHz二维辐射方向图，图c为26GHz二维辐射方向图，从图中可以得出，本发明集成基片间隙波导滤波天线不同频点处的二维方向图都具有较好的一致性，并且由于ISGW结构抑制了表面波使得方向图表现出了良好的对称性，对于增强覆盖范围和实现智能覆盖具有重要意义。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (2)
1.一种集成基片间隙波导滤波天线，其特征在于，包括：由上至下依次设置的辐射层介质板、中间层介质板、间隙层介质板和通孔层介质板；
所述辐射层介质板的上表面印刷有辐射结构；
所述中间层介质板的上表面印刷有第一金属层，所述第一金属层上刻蚀有工字型缝隙；
所述间隙层介质板的上表面印刷有馈电结构；
所述通孔层介质板的下表面印刷有第二金属层；所述通孔层介质板的上表面印刷有呈周期阵列分布的M个圆形金属片；各所述圆形金属片与所述第二金属层之间均贯通连接有一个金属过孔，组成蘑菇状的电磁带隙阵列结构；M为大于1的正整数；
所述辐射结构与所述馈电结构组成滤波结构；
所述馈电结构包括第一阶跃阻抗谐振器、第二阶跃阻抗谐振器和均匀阻抗谐振器；
所述第一阶跃阻抗谐振器和所述第二阶跃阻抗谐振器均为凹型；
所述第一阶跃阻抗谐振器和所述第二阶跃阻抗谐振器相对设置且留有缝隙；所述均匀阻抗谐振器位于所述第一阶跃阻抗谐振器和所述第二阶跃阻抗谐振器之间且留有缝隙；
所述第一阶跃阻抗谐振器连接外部激励信号；
所述辐射结构包括N个矩形金属片；N为大于或等于1的正整数；
所述矩形金属片的长轴方向与所述工字型缝隙的垂直轴方向平行；
调整所述矩形金属片的长轴长度，天线的电容增加，电感降低，辐射电阻增加，空载品质因数增加；
调整所述金属过孔的半径、高度和周期长度，所述金属过孔的表面波带隙改变，所述表面波带隙覆盖天线的工作频带；
所述辐射层介质板、所述中间层介质板、所述间隙层介质板和所述通孔层介质板之间通过尼龙螺丝固定；
所述辐射层介质板、所述中间层介质板、所述间隙层介质板和所述通孔层介质板的大小与材质均相同。
2.根据权利要求1所述的集成基片间隙波导滤波天线，其特征在于，所述辐射结构、所述第一金属层、所述馈电结构、所述第二金属层、所述圆形金属片和所述金属过孔均为PEC材质。
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- 2021-10-22 CN CN202111236090.0A patent/CN113964495B/zh active Active
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