CN114122696B - 一种基于siw的5g毫米波滤波天线 - Google Patents
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Abstract
本发提出一种基于SIW的5G毫米波滤波天线，采用ME偶极子天线加载的辐射衬底集成腔SIC谐振器和非辐射SIC谐振器实现耦合谐振器的切比雪夫滤波功能；采用双槽馈电的ME辐射偶极子天线，并且使用非辐射SIC谐振器作为支撑，控制滤波天线的辐射方向图和相应的耦合。本发明具有高性能、增益平坦、滤波功能强、尺寸小等优点，可以应用在5G毫米波领域。
Description
技术领域
本发明涉及微波技术，具体涉及一种基于基板集成波导（SIW）的5G毫米波滤波天线。
背景技术
由于无线通信系统和制造技术的快速发展，很多研究人员和一些全球领先的公司正在研究设计各种EM组件配置的方法，希望能够实现高性能、多用途、低损耗、紧凑等特点。作为一种新兴的技术范畴，5G移动通信系统为不断增长的手机市场订购需求和许多基于连接的服务铺平了道路。例如为物联网和机器连接机器（M2M）应用提供前所未有的高数据速率和通道容量以及低延迟。然而，射频功率和频谱的高效利用和总尺寸的减小仍然是高质量通信系统所要攻克的重大问题。天线和滤波器作为每个收发器的早期组件，是解决高质量通信系统遇到的问题上的重要器件。事实上，集成阵列滤波天线可以通过集成和紧凑的形式来实现高信噪比、低损耗（高效率）和降低总尺寸。
最近，人们发明了一些新型的滤波器，其中包括一种寄生双槽加载的谐振腔微带贴片滤波器和一种互补开口环垂直基片集成馈电的谐振器天线波导滤波器。还有人研究出了一种三极级联贴片天线通过基于电路元件的传输线路作为滤波天线的一种模型。然而，尽管它们的结构很吸引人，但它们缺乏适当且普遍的设计方法，无法扩展到阵列配置和其他应用程序，同时也限制了它们在滤波天线的设计中的使用。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于SIW的5G毫米波滤波天线。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于SIW的5G毫米波滤波天线，包括：
设置于第一层介质基板上表面的第一层结构，包括第一至第三三个有一定距离的金属贴片，这三个金属贴片是电磁（ME）贴片偶极子天线的组成部分，第一和第三金属贴片都各有两个圆弧角；
设置于第一层介质基板下表面和第二层介质基板上表面之间的第二层结构，包括一对对称的辐射槽，通过这对辐射槽实现与第一层结构贴片天线的连接；
设置于第二层介质基板下表面和第三层介质基板上表面之间的第三层结构，包括在中心位置的第一耦合槽，第一耦合槽与第二层结构中的辐射槽实现耦合；
设置于第三层介质基板下表面和第四层介质基板上表面之间的第四层结构，包括靠近左侧的第二耦合槽，第二耦合槽与第三层结构中的第一耦合槽进行耦合；
设置于第四层介质基板下表面和第五层介质基板上表面之间的第五层结构，包括靠近右侧的第三耦合槽和一个在中心位置偏左的金属圆柱孔，第三耦合槽与第四层结构的第二耦合槽进行耦合；
设置于第五层介质基板下表面的第六层结构，包括一个T型耦合槽和一个馈电微带线，且馈电微带线的阻值为50欧姆；
设置于各层介质层中的金属通孔，这些金属通孔在各层中围成矩形结构，形成一个个谐振腔，用来调节滤波天线的中心频率。
进一步的，所述第二层结构中的两个对称辐射槽空间位置上处于第一层结构中的三个有一定距离的金属贴片的间隔处。
进一步的，所述第三层结构中第一耦合槽在空间位置上处于第二层结构中两个对称辐射槽的中间位置，第二层的两个对称辐射槽的长度L4为2.04mm，宽度为0.2mm，第三层的耦合槽的长度L5为1mm，宽度为0.2mm，相较于第二层的辐射槽其长度比较小。
进一步的，所述第四层结构中的第二耦合槽在空间位置上位于第三层结构中的第一耦合槽的左侧，第四层结构中的第二耦合槽的长度L6为1.8mm，宽度为0.25mm，相较于第三层的第一耦合槽的尺寸较大。
进一步的，所述第五层结构中的第三耦合槽与第四层结构中的第二耦合槽在空间位置上呈对称结构，第四层结构中的第二耦合槽位于介质基板的靠左侧的位置，而第五层结构中的第三耦合槽位于介质基板靠右侧的位置，第三耦合槽的长度L8为1.76mm，宽度为0.25mm，第五层结构中心位置偏左的金属圆柱孔，它的高度为0.11mm，直径D为0.4mm。
进一步的，所述第六层结构中的T型耦合槽与馈电微带线在空间位置上位于第五层结构的左侧，第六层中的T型耦合槽中“—”的长度L10为2.3mm，宽度为0.18mm；“|”的长度为3.5mm，宽度为0.32mm；第六层结构中的馈电微带线10的长度L9为1.4mm，宽度为0.22mm。
进一步的，所述六层结构之间由介质填充，且它们之间还通过金属通孔相连。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1）基于SIW技术，结合LTCC技术实现高度集成，一定程度上减小了模型尺寸；2）使用SIC谐振器，提高了模型性能，且使用挖槽的形式进一步降低了模型的尺寸；3）使用加载辐射槽的磁电偶极子天线作为滤波天线的天线部分，提高了对称方向图稳定性和辐射效率、宽带阻抗匹配、低背向辐射和交叉极化。
附图说明
图1 是基于SIW技术的5G毫米波滤波天线的结构示意图 ，其中（a）是本发明的整体结构示意图，（b） 为本发明从x轴正轴看去的侧视图。
图2是第一层结构（13）的示意图。
图3是第二层结构（14）的示意图。
图4是第三层结构（15）的示意图。
图5是第四层结构（16）的示意图。
图6是第五层结构（17）的示意图。
图7是第六层结构（18）的示意图。
图8是滤波天线的仿真结果图。
图9是滤波天线的仿真方向图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本发明提出一种基于SIW的5G毫米波滤波天线，采用ME偶极子天线加载的辐射衬底集成腔SIC谐振器和非辐射SIC谐振器实现耦合谐振器的切比雪夫滤波功能；采用双槽馈电的ME辐射偶极子天线，并且使用非辐射SIC谐振器作为支撑，控制滤波天线的辐射方向图和相应的耦合。
如图1所示，基于SIW的5G毫米波滤波天线，包括设置于第一层介质基板Sub1上表面的第一层结构13，包括三个有一定距离的金属贴片1、2、3，这三个金属贴片是ME贴片偶极子天线的组成部分。设置于第一层介质基板Sub1下表面和第二层介质基板Sub2上表面之间的第二层结构14，包括一对对称的辐射槽4。设置于第二层介质基板Sub2下表面和第三层介质基板Sub3上表面之间的第三层结构15，包括在中心位置的一个耦合槽5。设置于第三层介质基板Sub3下表面和第四层介质基板Sub4上表面之间的第四层结构16，包括靠近左侧的一个耦合槽6。设置于第四层介质基板Sub4下表面和第五层介质基板Sub5上表面之间的第五层结构17，包括靠近右侧的一个耦合槽7和一个在中心位置偏左的金属圆柱孔8。设置于第五层介质基板Sub5下表面的第六层结构18，包括一个T型耦合槽11和一个馈电微带线10。同时包括存在与各层介质层中的金属通孔12，这些金属通孔在各自介质层内围成一个矩形结构，构成一个个谐振腔。
所述的第二层结构14中的两个对称辐射槽4空间位置上处于第一层结构13中的三个有一定距离的金属贴片1、2、3的间隔处。所述的第二层结构14中的两个辐射槽关于中心位置对称，如果将第一层结构13和第二层结构14联合在一起，做出其俯视图，它们的位置关系为从左到右依次为左侧的金属贴片1，辐射槽，中间的金属贴片2，辐射槽和右侧的金属贴片3。而且第一层结构13与第二层结构14之间的连接是通过辐射槽耦合实现。
所述的第三层结构15中一个耦合槽5在空间位置上处于第二层结构14中两个对称辐射槽4的中间位置。如果将第二层结构14与第三层结构15看作一个整体，做出其俯视图，它们的位置关系从左到右依次为第二层结构14中的一个辐射槽，第三层15的耦合槽5和第二层结构14的另一个辐射槽。第二层14的两个对称辐射槽4的长度L4为2.04mm，宽度为0.2mm，第三层15的耦合槽5的长度L5为1mm，宽度为0.2mm，相较于第二层14的辐射槽其长度比较小。而且第二层结构14与第三层结构15的连接通过第二层结构中的辐射槽4和第三层的耦合槽5耦合实现。
所述的第四层结构16中的耦合槽6在空间位置上位于第三层结构15中的耦合槽5的左侧，第四层结构16中的耦合槽6的长度L6为1.8mm，宽度为0.25mm相较于第三层15的耦合槽5的尺寸较大。而且第三层结构15与第四层结构16的连接通过第三层结构中的耦合槽5和第四层的耦合槽6耦合实现。
所述的第五层结构17中的耦合槽7与第四层结构16中的耦合槽6在空间位置上呈对称结构。所述的第四层结构16中的耦合槽6位于介质基板的靠左侧的位置，而第五层结构17中的耦合槽7位于介质基板靠右侧的位置，耦合槽7的长度L8为1.76mm，宽度为0.25mm。第五层结构17中还有一个位于中心位置偏左的金属圆柱孔8，它的高度为0.11mm，直径D为0.4mm。如果将第四层结构16与第五层结构17看作一个整体，做出其俯视图，它们的位置关系从左到右依次为第四层结构16中的耦合槽6，第五层结构17中的金属圆柱孔8和第五层结构17中的耦合槽7。而且第四层结构16与第五层结构17的连接通过第四层结构中的耦合槽6和第五层的耦合槽7耦合实现。
所述的第六层结构18中的T型耦合槽11与馈电微带线10在空间位置上位于第五层结构17的左侧。如果将第五层结构17与第六层结构18看作一个整体，做出其俯视图，它们的位置关系从左到右依次是第六层结构中的T型耦合槽11与馈电微带线10，第五层结构17中的金属圆柱孔8和第五层结构17中的耦合槽7。第六层18中的T型耦合槽11中“—”的长度L10为2.3mm，宽度为0.18mm；“|”的长度为3.5mm，宽度为0.32mm。第六层结构18中的馈电微带线10的长度L9为1.4mm，宽度为0.22mm。
所述的六层结构，它们之间是由介质填充，且它们之间还通过金属通孔12相连。除了第一层介质Sub1，其他介质中都有由金属通孔围城一个矩形的结构。这些围成的矩形结构对于5G毫米波滤波天线的设计具有重要作用。
综上所述，本发明使用加载辐射槽的磁电偶极子电线作为滤波天线的天线部分，可以提高对称方向图稳定性和辐射效率、宽带阻抗匹配、低背向辐射和交叉极化。且采用LTCC技术和SIW技术使模型的尺寸变小，结构紧凑，完成滤波天线设计。
实施例
为了验证本发明方案的有效性，进行如下实验。
参考图1，一种基于SIW的5G毫米波滤波天线，包括设置于第一层介质基板Sub1上表面的第一层结构13，包括三个有一定距离的金属贴片1、2、3，这三个金属贴片是ME贴片偶极子天线的组成部分。金属贴片1、3都各有两个圆弧角，可以提高贴片的性能。设置于第一层介质基板Sub1下表面和第二层介质基板Sub2上表面之间的第二层结构14，包括一对对称的辐射槽4。通过这对辐射槽可以实现与第一层结构贴片天线的连接。设置于第二层介质基板Sub2下表面和第三层介质基板Sub3上表面之间的第三层结构15，包括在中心位置的一个耦合槽5，该耦合槽可以与第二层结构中的辐射槽4实现耦合。设置于第三层介质基板Sub3下表面和第四层介质基板Sub4上表面之间的第四层结构16，包括靠近左侧的一个耦合槽6，该耦合槽可与第三层结构中的耦合槽5进行耦合。设置于第四层介质基板Sub4下表面和第五层介质基板Sub5上表面之间的第五层结构17，包括靠近右侧的一个耦合槽7和一个在中心位置偏左的金属圆柱孔8。耦合槽7可与第四层结构的耦合槽6进行耦合。设置于第五层介质基板Sub5下表面的第六层结构18，包括一个T型耦合槽11和一个馈电微带线10，且馈电微带线10的阻值为50欧姆。同时包括存在与各层介质层中的金属通孔12。这些金属通孔在各层中围成矩形结构，形成一个个谐振腔，用来调节滤波天线的中心频率。
参考图2，结合图1，第一层结构13中有三个金属贴片1、2、3，中间的金属贴片2（它的长度W1为3.7mm，宽度L1为2mm）是一个矩形贴片，起到耦合的作用，左右两个金属贴片1、2的形状相同（它们的W1为3.7mm，宽度L2为1.25mm），且两个金属贴片都有两个角做了圆滑处理，这样有利于降低损耗。 第一层介质Sub1中有20个金属通孔（它们的高度为0.55mm，半径为0.08mm，5个金属通孔的总长度L3为1.36mm），具体位置如图2所示，这些金属通孔连接了第一层结构13和第二层结构14。
参考图3，结合图1，第二层结构14中有两个辐射槽4，它们长度L4为2.04mm ，宽度为0.2mm，且这两个辐射槽是关于介质基板中心对称的。在第二层介质Sub2中心Y方向的金属通孔12，其中五个的总长度G3为1.32mm。其中还有些金属通孔围城了一个矩形，在X轴方向两个金属通孔之间的距离G1为0.32mm，在Y轴方向4个金属通孔的距离G2为1.14mm。这些通孔可以起到抑制EM能量的作用，且形成谐振腔。
参考图4，结合图1，第三层结构15中有一个耦合槽5（它的长度L5为1mm，宽度为0.2mm），这个耦合槽位于介质基板中心位置，且可与第二层结构中的辐射槽4进行耦合。第三层介质Sub3中也有很多金属通孔12，围成一个矩形结构，具体位置如图4所示。
参考图5，结合图1，第四层结构16中有一个耦合槽6（它的长度L6为1.8mm，宽度为0.25mm），这个耦合槽位于介质基板靠左的位置。第四层结构16中的耦合槽6可以和第三层15的耦合槽5进行耦合。第四层介质Sub4中也有很多金属通孔12，围成一个矩形结构，具体位置如图5所示。且图五中介质基板长度L7=6.4mm，宽度W2为5mm。
参考图6，结合图1，第五层结构17中有一个耦合槽7（它的长度L8为1.76mm，宽度为0.25mm）和一个金属圆柱孔8（它的高度为1.1mm，直径D为0.4mm），耦合槽7位于介质基板靠右的位置，金属圆柱孔8的位置位于介质基板中心稍左。第五层介质Sub5有很多金属通孔（它们的高度为0.11mm，半径为0.08mm ），具体位置如图6所示。第五层的耦合槽7和第四层的耦合槽6也可以进行耦合。金属圆柱孔8可以用来调节耦合的强度。且图6中L11的尺寸为6mm。
参考图7，结合图1，第六层结构18中有一个T型耦合槽11和一个馈电金属微带线10，这个T型耦合槽位于介质基板靠左的位置。第六层结构中的T型耦合槽11中“—”的长度L10为2.3mm，宽度为0.18mm；“|”的长度为3.5mm，宽度为0.32mm。第六层结构18中的馈电微带线10的长度L9为1.4mm，宽度为0.22mm。T型耦合槽中‘—’的长度一般为工作中心频率下的四分之一波长的长度。馈电金属微带线的宽度决定了馈电金属微带线的阻值。
结合上文叙述，以及对结构尺寸的说明，可以得到本发明的总尺寸为6.4mm×5mm×1.05mm。在给应的模型尺寸条件下，本发明的工作频率为24.25GHz-27.5GHz，带宽为3.25GHz。参考图8、9，可以看出本发明在工作频段内的回波损耗小于15dB，且增益达到5.7421dB。同时可以看出在此尺寸下，可以得到比较好的E面和H面图形。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种基于SIW的5G毫米波滤波天线，其特征在于，包括：
设置于第一层介质基板(Sub1)上表面的第一层结构(13)，包括第一至第三三个有一定距离的金属贴片(1、2、3)，这三个金属贴片是ME贴片偶极子天线的组成部分，第一和第三金属贴片(1、3)都各有两个圆弧角；
设置于第一层介质基板(Sub1)下表面和第二层介质基板(Sub2)上表面之间的第二层结构(14)，包括一对对称的辐射槽(4)，通过这对辐射槽实现与ME贴片偶极子天线的连接；
设置于第二层介质基板(Sub2)下表面和第三层介质基板(Sub3)上表面之间的第三层结构(15)，包括在中心位置的第一耦合槽(5)，第一耦合槽(5)与第二层结构中的辐射槽(4)实现耦合；
设置于第三层介质基板(Sub3)下表面和第四层介质基板(Sub4)上表面之间的第四层结构(16)，包括靠近左侧的第二耦合槽(6)，第二耦合槽(6)与第三层结构中的第一耦合槽(5)进行耦合；
设置于第四层介质基板(Sub4)下表面和第五层介质基板(Sub5)上表面之间的第五层结构(17)，包括靠近右侧的第三耦合槽(7)和一个在中心位置偏左的金属圆柱孔(8)，第三耦合槽(7)与第四层结构的第二耦合槽(6)进行耦合；
设置于第五层介质基板(Sub5)下表面的第六层结构(18)，包括一个T型耦合槽(11)和一个馈电微带线(10)，且馈电微带线(10)的阻值为50欧姆；
设置于各层介质层中的金属通孔(12)，这些金属通孔在各层中围成矩形结构，形成一个个谐振腔，用来调节滤波天线的中心频率。
2.根据权利要求1所述的基于SIW的5G毫米波滤波天线，其特征在于，所述第二层结构(14)中的两个对称辐射槽(4)空间位置上处于第一层结构(13)中的三个有一定距离的金属贴片(1、2、3)的间隔处。
3.根据权利要求1所述的基于SIW的5G毫米波滤波天线，其特征在于，所述第三层结构(15)中第一耦合槽(5)在空间位置上处于第二层结构(14)中两个对称辐射槽(4)的中间位置，第二层(14)的两个对称辐射槽(4)的长度L4为2.04mm，宽度为0.2mm，第三层(15)的第一耦合槽(5)的长度L5为1mm，宽度为0.2mm，相较于第二层(14)的辐射槽其长度比较小。
4.根据权利要求1所述的基于SIW的5G毫米波滤波天线，其特征在于，所述第四层结构(16)中的第二耦合槽(6)在空间位置上位于第三层结构(15)中的第一耦合槽(5)的左侧，第四层结构(16)中的第二耦合槽(6)的长度L6为1.8mm，宽度为0.25mm，相较于第三层(15)的第一耦合槽(5)的尺寸较大。
5.根据权利要求1所述的基于SIW的5G毫米波滤波天线，其特征在于，所述第五层结构(17)中的第三耦合槽(7)与第四层结构(16)中的第二耦合槽(6)在空间位置上呈对称结构，第四层结构(16)中的第二耦合槽(6)位于介质基板的靠左侧的位置，而第五层结构(17)中的第三耦合槽(7)位于介质基板靠右侧的位置，第三耦合槽(7)的长度L8为1.76mm，宽度为0.25mm，第五层结构(17)中心位置偏左的金属圆柱孔(8)，它的高度为0.11mm，直径D为0.4mm。
6.根据权利要求1所述的基于SIW的5G毫米波滤波天线，其特征在于，所述第六层结构(18)中的T型耦合槽(11)与馈电微带线(10)在空间位置上位于第五层结构(17)的左侧，第六层(18)中的T型耦合槽(11)中“—”的长度L10为2.3mm，宽度为0.18mm；“|”的长度为3.5mm，宽度为0.32mm；第六层结构(18)中的馈电微带线10的长度L9为1.4mm，宽度为0.22mm。
7.根据权利要求1所述的基于SIW的5G毫米波滤波天线，其特征在于，六层结构之间由介质填充，且它们之间还通过金属通孔(12)相连。
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