CN113964535A - 一种基于集成基片间隙波导的圆极化滤波天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于集成基片间隙波导的圆极化滤波天线，该圆极化滤波天线由三层结构组成，分别为上层介质板、中间层介质板和下层介质板。上层介质板的下表面引入带通滤波器来实现滤波功能，上层介质板上表面印刷第一铜层，在第一铜层上蚀刻一个圆形缝隙，通过在圆形缝隙引入一个矩形金属片形成微扰结构以辐射圆极化波；中间层介质板用来隔离上层介质板和下层介质板，下层介质板用来形成理想磁导体。本发明具有结构简单、宽带宽、易于封装和加工等优点，十分适用于微波、毫米波和太赫兹无线通信系统。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种基于集成基片间隙波导的圆极化滤波天线。
背景技术
随着无线通信技术的迅速发展，留给射频前端的空间十分有限，这就要求射频前端实现小型化、高集成度和高效率。对于射频前端的重要器件，天线和滤波器来说，其性能的好坏影响着整个系统传输的质量。天线作为电磁波在空间传播的入口和出口，用于发射和接收电磁波信号。滤波器则作为频率选择器用于信道选择、频率选择以及滤除带外不需要的杂散信号，从而有效地提高整个通信系统的抗干扰能力。所以，提高二者的性能能够提高整体的传输效率和通信质量。因此，为了更好的集成化与小型化，将天线和滤波器进行结合设计成一个滤波天线，得到业内广泛的关注。
然而，现在针对滤波天线的设计大多数集中在天线的滤波性能上，而对圆极化性能的滤波天线的设计进行的并不多，而圆极化天线又有着许多优点，比如圆极化天线可以接收任意极化方向的电磁波，除了相反旋向的圆极化波，这可以减少信号因为极化失配而造成的能量损失，所以圆极化天线在卫星通信和导航中广泛应用。然而，现有设计的圆极化滤波天线带宽较窄，结构复杂，难以集成。
近些年提出的集成基片间隙波导(Integrated Substrate Gap Waveguide，简称ISGW)可改进间隙波导存在的空气间隙不稳定和基片集成波导存在的模式转换损耗等问题。其作为一种新型的波导结构，具有结构稳定、没有模式转换损耗、加工简单、易集成、良好的传输性能和较宽的工作带宽等优点。
现有的基于集成基片间隙波导的圆极化滤波天线，具有带宽窄、结构复杂和难以集成等缺点。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于集成基片间隙波导的圆极化滤波天线，其具有结构简单、带宽较宽、易集成、低剖面、方向性好、通带中的天线增益平坦和阻带中抑制高的优点；基于此，该滤波天线适用于微波、毫米波和太赫兹无线通信系统。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于集成基片间隙波导的圆极化滤波天线，包括由上至下依次设置的上层介质板、中间层介质板和下层介质板；
所述上层介质板的上表面印刷有第一铜层，所述第一铜层的中间刻蚀有圆形缝隙，所述圆形缝隙内设置有与之连接的矩形金属片；所述圆形缝隙和所述矩形金属片组成微扰结构；
所述上层介质板的下表面印刷有带通滤波器；
所述下层介质板上印刷有蘑菇状的电磁带隙阵列结构；
所述中间层介质板分隔所述上层介质板和所述下层介质板；
所述上层介质板、所述中间层介质板和所述下层介质板粘合在一起。
优选地，所述带通滤波器包括：激励端口、第一耦合枝节、第二耦合枝节和微带馈电线；
所述激励端口和所述第一耦合枝节连接，所述第一耦合枝节和所述第二耦合枝节旋转对称设置，中间留有矩形缝隙，所述第二耦合枝节和所述微带馈电线连接；所述微带馈电线延伸至所述圆形缝隙的下方；所述第一耦合枝节和所述第二耦合枝节均为L型，且大小相同。
优选地，所述下层介质板的下表面印刷有第二铜层；所述下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铜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。
优选地，在靠近所述第一铜层的下端部位置处，刻蚀有第一凹型缝隙和第二凹型缝隙；所述第一凹型缝隙和所述第二凹型缝隙沿所述第一铜层的中心线对称分布。
优选地，所述第二耦合枝节和所述微带馈电线之间印刷有阶梯阻抗谐振器；
所述阶梯阻抗谐振器分别与所述第二耦合枝节和所述微带馈电线连接。
优选地，所述微带馈电线延伸至所述圆形缝隙的中间位置，获得最佳的回波损耗和轴比。
优选地，根据需要产生的工作频带，通过调整所述电磁带隙阵列结构中所述圆形金属片的半径、所述金属过孔的半径和所述电磁带隙阵列结构的周期，使所述工作频带与所述电磁带隙阵列结构的禁带相适应。
优选地，调整所述矩形金属片的长和宽，天线的阻抗带宽和轴比带宽改变，滤波能力不变；
调整所述第一凹型缝隙和所述第二凹型缝隙的长和宽，天线的阻抗带宽改变，轴比带宽和滤波性能不变；
调整所述第一耦合枝节和所述第二耦合枝节的长和宽，天线的阻抗带宽和滤波性能改变，轴比带宽不变；
调整所述阶梯阻抗谐振器的长和宽，天线的阻抗带宽改变，轴比带宽和滤波性能不变。
优选地，所述第一铜层为理想电导体；所述下层介质板、所述金属过孔和所述圆形金属片组成理想磁导体PMC层。
优选地，所述微扰结构的面积与所述圆形缝隙的面积满足下式：
式中：ΔS为微扰结构的面积，S为圆形缝隙的面积，Qt为未添加矩形金属片时圆形缝隙的品质因素，品质因素具体为衡量谐振电路损耗的参数。
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：
本发明涉及一种基于集成基片间隙波导的圆极化滤波天线，该圆极化滤波天线由三层结构组成，分别为上层介质板、中间层介质板和下层介质板。上层介质板的下表面引入带通滤波器来实现滤波功能，上层介质板上表面印刷第一铜层，在第一铜层上蚀刻一个圆形缝隙，通过在圆形缝隙引入一个矩形金属片形成微扰结构以辐射圆极化波；中间层介质板用来隔离上层介质板和下层介质板，下层介质板用来形成理想磁导体。本发明具有结构简单、宽带宽、易于封装和加工等优点，十分适用于微波、毫米波和太赫兹无线通信系统。
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为本发明基于集成基片间隙波导的圆极化滤波天线爆炸图；
图2为本发明上层介质板的上表面图；
图3为本发明上层介质板的下表面图；
图4为本发明下层介质板的上表面图；
图5为本发明下层介质板的下表面图；
图6为本发明基于集成基片间隙波导的圆极化滤波线的回波损耗、轴比和增益图；
图7为本发明带通滤波器的等效电路图。
符号说明：1-上层介质板，2-中间层介质板，3-下层介质板，11-第一铜层，12-圆形缝隙，13-矩形金属片，14-第一凹型缝隙，15-第二凹型缝隙，16-激励端口，17-第一耦合枝节，18-第二耦合枝节，19-微带馈电线，20-阶梯阻抗谐振器，21-矩形缝隙，31-第二铜层，32-圆形金属片，33-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基于集成基片间隙波导的圆极化滤波天线，其具有结构简单、带宽较宽、易集成、低剖面、方向性好、通带中的天线增益平坦和阻带中抑制高的优点；基于此，该滤波天线适用于微波、毫米波和太赫兹无线通信系统。
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为本发明基于集成基片间隙波导的圆极化滤波天线爆炸图。如图所示，本发明提供了一种基于集成基片间隙波导的圆极化滤波天线，包括：上层介质板1、中间层介质板2和下层介质板3。
其中，如图2所示，所述上层介质板1的上表面印刷有第一铜层11，所述第一铜层11的中间刻蚀有圆形缝隙12，所述圆形缝隙12内设置有与之连接的矩形金属片13。所述圆形缝隙12和所述矩形金属片13组成微扰结构。所述微扰结构使天线产生两个幅度相等相位相差90°的电场分量，从而辐射圆极化波。所述矩形金属片13为铜质材料。所述第一铜层11为理想电导体PEC。
本实施例中，所述微扰结构的面积与所述圆形缝隙12的面积满足下式：
式中：ΔS为微扰结构的面积，S为圆形缝隙的面积，Qt为未添加矩形金属片时圆形缝隙的品质因素，品质因素具体为衡量谐振电路损耗的参数。
优选地，为了引入额外的谐振点，从而增加圆极化滤波天线的阻抗匹配，在靠近所述第一铜层11的下端部位置处，刻蚀有第一凹型缝隙14和第二凹型缝隙15；所述第一凹型缝隙14和所述第二凹型缝隙15的大小完全相同，且沿所述第一铜层11的中心线对称分布。
如图3所示，所述上层介质板1的下表面印刷有带通滤波器，所述带通滤波器包括激励端口16、第一耦合枝节17、第二耦合枝节18和微带馈电线19。
为了增加天线的阻抗匹配调整自由度，所述第二耦合枝节18和所述微带馈电线19之间印刷有阶梯阻抗谐振器20。所述激励端口16、所述第一耦合枝节17、所述第二耦合枝节18、所述微带馈电线19和所述阶梯阻抗谐振器20均为金属材质，具体为理想电导体PEC。
所述激励端口16和所述第一耦合枝节17连接，所述第一耦合枝节17和所述第二耦合枝节18旋转对称设置，中间留有矩形缝隙21，所述第二耦合枝节18和所述阶梯阻抗谐振器20连接，所述阶梯阻抗谐振器20和所述微带馈电线19连接；所述微带馈电线19延伸至所述圆形缝隙12的下方，所述微带馈电线19激励所述圆形缝隙12产生辐射；所述第一耦合枝节17和所述第二耦合枝节18均为L型，且大小相同。
为了获得最佳的回波损耗和轴比，本实施例中，所述微带馈电线19延伸至所述圆形缝隙12的中间位置，且所述微带馈电线19与所述矩形金属片13呈108°设置。
所述第一耦合枝节17、所述第二耦合枝节18和所述矩形缝隙21共同作用，相当于引入了一个辐射零点，实现滤波功能。
可选地，当所述上层介质板1的上表面没有设置所述第一凹型缝隙14、所述第二凹型缝隙15、所述圆形缝隙12和所述矩形金属片13时，所述激励端口16、第一耦合枝节17、第二耦合枝节18、所述矩形缝隙21和微带馈电线19组成的带通滤波器的等效电路图如图7所示。
图7中，R1和R2等效于所述激励端口16的阻抗，R7和R8等效于所述微带馈电线19的阻抗，R3、R4、J1、R5和R6等效于所述第一耦合枝节17、第二耦合枝节18和所述矩形缝隙21。R1、R2、R7和R8均为50Ω。
进一步地，当所述上层介质板1的下表面没有设置所述第一耦合枝节17、第二耦合枝节18和所述矩形缝隙21时，所述第一铜层11、所述圆形缝隙12、所述矩形金属片13、所述激励端口16和所述微带馈电线19组成的结构等效于圆极化天线。
如图4和5所示，所述下层介质板3的下表面印刷有第二铜层31；所述下层介质板3的上表面印刷有呈周期阵列分布的M个圆形金属片32；各所述圆形金属片32与所述第二铜层31之间均贯通连接有一个金属过孔33，组成蘑菇状的电磁带隙阵列结构；M为大于1的正整数。所述第二铜层31为理想电导体PEC。所述下层介质板3、所述金属过孔33和所述圆形金属片32组成理想磁导体PMC层。可以有效抑制平面波，减少空间辐射损耗，同时解决了空间谐振的问题。
根据需要产生的工作频带，通过调整所述电磁带隙阵列结构中所述圆形金属片32的半径、所述金属过孔33的半径和所述电磁带隙阵列结构的周期，使所述工作频带与所述电磁带隙阵列结构的禁带相适应。
所述中间层介质板2分隔所述上层介质板1和所述下层介质板3，使得所述下层介质板3不会影响所述上层介质板1的性能。
所述上层介质板1、所述中间层介质板2和所述下层介质板3通过粘接或塑料螺丝固定在一起，形成一个整体。
所述上层介质板1、所述第一铜层11、所述电磁带隙阵列结构、所述中间层介质板2、所述下层介质板3、所述第二铜层31和所述微带馈电线19构成集成基片间隙波导结构。
调整所述矩形金属片13的长和宽，圆极化滤波天线的阻抗带宽和轴比带宽改变，滤波能力不变。
调整所述第一凹型缝隙14和所述第二凹型缝隙15的长和宽，圆极化滤波天线的阻抗带宽改变，轴比带宽和滤波性能不变。
调整所述第一耦合枝节17和所述第二耦合枝节18的长和宽，圆极化滤波天线的阻抗带宽和滤波性能改变，轴比带宽不变。
调整所述阶梯阻抗谐振器20的长和宽，圆极化滤波天线的阻抗带宽改变，轴比带宽和滤波性能不变。
具体地，所述上层介质板1采用介电常数为2.2、损耗角正切为0.0009和厚度为0.508mm的Rogers 5880介质材料；所述中间层介质板2采用介电常数为3.48、损耗角正切为0.0037和厚度为0.168mm的Rogers RO4350B介质材料；所述下层介质板3采用介电常数为3.48、损耗角正切为0.0037和厚度0.762mm的Rogers RO4350B介质材料；圆极化滤波天线整体尺寸为13.3mm*11.1mm*1.438mm。如图6所示，S11为回波损耗，基于集成基片间隙波导的圆极化滤波天线的中心频率为25GHz，-10dB阻抗带宽为21.37-29.10GHz(相对带宽为30.63％)，3dB轴比带宽为24.51-28.43GHz(相对轴比带宽为15.53％)，增益在25GHz处约为5.4dBi。以上表明，该圆极化滤波天线在带宽和轴比方面要优于现有的圆极化滤波天线。
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 (10)
1.一种基于集成基片间隙波导的圆极化滤波天线，其特征在于，包括由上至下依次设置的上层介质板、中间层介质板和下层介质板；
所述上层介质板的上表面印刷有第一铜层，所述第一铜层的中间刻蚀有圆形缝隙，所述圆形缝隙内设置有与之连接的矩形金属片；所述圆形缝隙和所述矩形金属片组成微扰结构；
所述上层介质板的下表面印刷有带通滤波器；
所述下层介质板上印刷有蘑菇状的电磁带隙阵列结构；
所述中间层介质板分隔所述上层介质板和所述下层介质板；
所述上层介质板、所述中间层介质板和所述下层介质板粘合在一起。
2.根据权利要求1所述的基于集成基片间隙波导的圆极化滤波天线，其特征在于，所述带通滤波器包括：激励端口、第一耦合枝节、第二耦合枝节和微带馈电线；
所述激励端口和所述第一耦合枝节连接，所述第一耦合枝节和所述第二耦合枝节旋转对称设置，中间留有矩形缝隙，所述第二耦合枝节和所述微带馈电线连接；所述微带馈电线延伸至所述圆形缝隙的下方；所述第一耦合枝节和所述第二耦合枝节均为L型，且大小相同。
3.根据权利要求1或2所述的基于集成基片间隙波导的圆极化滤波天线，其特征在于，所述下层介质板的下表面印刷有第二铜层；所述下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铜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。
4.根据权利要求2所述的基于集成基片间隙波导的圆极化滤波天线，其特征在于，在靠近所述第一铜层的下端部位置处，刻蚀有第一凹型缝隙和第二凹型缝隙；所述第一凹型缝隙和所述第二凹型缝隙沿所述第一铜层的中心线对称分布。
5.根据权利要求4所述的基于集成基片间隙波导的圆极化滤波天线，其特征在于，所述第二耦合枝节和所述微带馈电线之间印刷有阶梯阻抗谐振器；
所述阶梯阻抗谐振器分别与所述第二耦合枝节和所述微带馈电线连接。
6.根据权利要求2所述的基于集成基片间隙波导的圆极化滤波天线，其特征在于，所述微带馈电线延伸至所述圆形缝隙的中间位置，获得最佳的回波损耗和轴比。
7.根据权利要求3所述的基于集成基片间隙波导的圆极化滤波天线，其特征在于，根据需要产生的工作频带，通过调整所述电磁带隙阵列结构中所述圆形金属片的半径、所述金属过孔的半径和所述电磁带隙阵列结构的周期，使所述工作频带与所述电磁带隙阵列结构的禁带相适应。
8.根据权利要求5所述的基于集成基片间隙波导的圆极化滤波天线，其特征在于，调整所述矩形金属片的长和宽，天线的阻抗带宽和轴比带宽改变，滤波能力不变；
调整所述第一凹型缝隙和所述第二凹型缝隙的长和宽，天线的阻抗带宽改变，轴比带宽和滤波性能不变；
调整所述第一耦合枝节和所述第二耦合枝节的长和宽，天线的阻抗带宽和滤波性能改变，轴比带宽不变；
调整所述阶梯阻抗谐振器的长和宽，天线的阻抗带宽改变，轴比带宽和滤波性能不变。
9.根据权利要求3所述的基于集成基片间隙波导的圆极化滤波天线，其特征在于，所述第一铜层为理想电导体；所述下层介质板、所述金属过孔和所述圆形金属片组成理想磁导体PMC层。
10.根据权利要求1、2、4或5所述的基于集成基片间隙波导的圆极化滤波天线，其特征在于，所述微扰结构的面积与所述圆形缝隙的面积满足下式：
式中：ΔS为微扰结构的面积，S为圆形缝隙的面积，Qt为未添加矩形金属片时圆形缝隙的品质因素，品质因素具体为衡量谐振电路损耗的参数。
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