CN114744404A - 一种双频段基片集成波导滤波天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双频段基片集成波导滤波天线，属于天线技术领域。该滤波天线包括上、下层介质基板，金属通孔、金属耦合探针、金属接地板、50欧姆微带线、共面波导、矩形匹配槽、矩形辐射槽以及金属匹配柱等。其中上层介质基板、上层金属接地板、第一金属通孔和中层金属接地板构成上谐振腔体；下层介质基板、中层金属接地板、下层金属接地板和第二金属通孔构成下谐振腔体；金属通孔用于构成上、下谐振腔体的金属壁；矩形辐射槽设置在上谐振腔体中，将其分割成左右两个部分。本发明通过被分割成左右两部分的上谐振腔体，使得该滤波天线具有双频段的效果，并且双频段均具有滤波功能。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种双频段基片集成波导滤波天线。
背景技术
近年来，通信标准的多制式需求以及通信设备小型化、紧凑化的发展，要求射频前端器件具备多频段、多功能化。天线与滤波器作为射频前端重要组成部分，其集成化、一体化、多频段化的设计受到了广泛关注。具有带外抑制功能的双频滤波天线设计成为了当前的研究热点。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种双频段基片集成波导滤波天线，具有良好的带外抑制功能以及平坦的通带增益，同时实现天线剖面低，尺寸紧凑，易于与其他平面电路集成。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种双频段基片集成波导滤波天线，该天线包括上层介质基板1、下层介质基板2、上层金属接地板3、中层金属接地板4、下层金属接地板5、第一金属通孔6、第二金属通孔7、矩形辐射槽8、第一金属耦合探针9、第二金属耦合探针10、金属匹配柱11和激励源；
所述上层介质基板1与下层介质基板2上下紧密贴合，在上层介质基板1的上表面设置上层金属接地板3，在下层介质基板2的上表面设置中层金属接地板4，在下层介质基板2下表面设置下层金属接地板5；
所述上层介质基板1、上层金属接地板3、第一金属通孔6和中层金属接地板4构成上谐振腔体，其中第一金属通孔6贯穿上层介质基板1以及上层金属接地板3，并呈直线分布在上层介质基板1的四周；
所述下层介质基板2、中层金属接地板4、下层金属接地板5和第二金属通孔7构成下谐振腔体，其中，第二金属通孔7贯穿下层介质基板2、中层金属接地板4以及下层金属接地板5，并呈直线分布在下层介质基板2的四周；
所述第一金属通孔6构成上谐振腔体的金属壁，所述第二金属通孔7构成下谐振腔体的金属壁，且金属通孔的位置对称；
所述矩形辐射槽8蚀刻在上层金属接地板3上，矩形辐射槽8设置在上谐振腔体中，将上谐振腔体分割成左右两个部分；
所述第一金属耦合探针9和第二金属耦合探针10由下层金属接地板5贯穿到上层金属接地板3，其中第一金属耦合探针9位于上层金属接地板3的左侧，用以连接下层金属接地板5和上层金属接地板3；第二金属耦合探针10位于上层金属接地板3右侧，用以连接下层金属接地板5和上层金属接地板3；
所述金属匹配柱11由中层金属接地板4贯穿到上层金属接地板3，从而连接两接地板，有效改善阻抗匹配，其位置设置在上层金属接地板3的右侧；
所述激励源设置在下层金属接地板5上。
可选地，所述激励源包括依次连接的50欧姆微带线12、共面波导13和矩形匹配槽14，其中，50欧姆微带线12、共面波导13和矩形匹配槽14由外向内设置在下层金属接地板5上。
可选地，所述上层金属接地板3、中层金属接地板4、下层金属接地板5和50欧姆微带线12的厚度相同。
可选地，所述金属匹配柱11位于上谐振腔体的右侧部分。
可选地，所述矩形匹配槽14关于共面波导13馈线的中轴线镜像对称。
可选地，所述上层介质基板1和下层介质基板2均为长78mm，宽58mm的矩形，其中上层介质基板1厚度为1.575mm，下层介质基板2厚度为0.79mm。
可选地，所述第一金属通孔6和第二金属通孔7的直径均为d＝1mm，金属通孔中心间距均为s＝1.5mm。
可选地，所述矩形辐射槽8的宽边长度为43mm，短边长度为12mm。
可选地，所述第一金属耦合探针9和第二金属耦合探针10的直径均为a＝1mm。
可选地，所述金属匹配柱11的直径为b＝1mm；
所述50欧姆微带线12长度为fms＝9mm，所述共面波导13长度为fin＝6.5mm，宽度均为fw＝3mm；其中共面波导13的缝隙宽度为fsw＝1.3mm；
所述矩形匹配槽14的长度为ml＝2mm，宽度为mw＝1mm。
本发明的有益效果在于：
1、通过在竖直放置的两块介质基板上分别构建谐振腔体，利用蚀刻在上层介质基板上金属表面的矩形辐射槽将上谐振腔体分割成左右两个部分，两个谐振腔体之间通过两个金属耦合探针实现电磁能量的耦合，电磁能量通过矩形辐射槽向自由空间进行辐射，从而形成具有双频段的效果，并且双频段均具有滤波的功能。
2、双频滤波天线匹配良好，两个工作频段具有良好的带外抑制以及平坦的通带增益，低频通带峰值增益达到5.1dBi，-10dB阻抗带宽超过1.8％；高频通带峰值增益达到5.4dBi，-10dB阻抗带宽超过3.5％，以上优点使滤波天线可以应用于物理空间受限的双频段通信平台。
3、双频滤波天线具有紧凑的结构，横向尺寸仅为0.55λ0×0.73λ0，剖面高度仅为0.02λ0，易于加工集成。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为双频段滤波天线的整体结构三维视图；
图2为双频段滤波天线上层金属接地板的俯视图；
图3为双频段滤波天线中层金属接地板的俯视图；
图4为双频段滤波天线下层金属接地板的俯视图；
图5为双频段滤波天线的S参数和可实现增益曲线图；
图6为双频段滤波天线低频通带中心频点的E面、H面归一化方向图；
图7为双频段滤波天线高频通带中心频点的E面、H面归一化方向图。
附图标记：1-上层介质基板；2-下层介质基板；3-上层金属接地板；4-中层金属接地板；5-下层金属接地板；6-第一金属通孔；7-第二金属通孔；8-矩形辐射槽；9-第一金属耦合探针；10-第二金属耦合探针；11-金属匹配柱；12-50欧姆微带线；13-共面波导；14-矩形匹配槽。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图7，为一种双频段基片集成波导滤波天线，包括两块介质基板1、2，金属通孔6、7，金属耦合探针9、10，矩形辐射槽8，金属匹配柱11，金属接地板3、4、5，激励源，50欧姆微带线12，共面波导13，矩形匹配槽14等结构；两块介质基板竖直紧密贴合，下层介质基板2的上下表面均设置有金属材质的接地板4、5，而上层介质基板1仅有上表面设置有金属材质的接地板3；金属通孔6、7用来分别在上下基板上构成谐振腔体的金属壁，上腔体由上层介质基板1、上层介质基板1上表面接地板3、下层介质基板2的上表面接地板4、四周的金属通孔6组成，下腔体由下层介质基板2、下层介质基板2上下表面的接地板4、5、四周的金属通孔7组成；金属耦合探针9、10用以连接下层介质基板下表面的接地板和上层介质基板1上表面的接地板3；矩形辐射槽8蚀刻在上层介质基板的上表面金属接地板上；金属匹配柱11由下层介质基板上表面的接地板贯穿到上层介质基板上表面的接地板，其位置设置在上层介质基板上表面接地板的右侧；激励源由50欧姆微带线12、共面波导馈线13以及蚀刻在下层介质基板下表面接地板上关于共面波导馈线中心对称的两个矩形匹配槽14组成。
两块介质基板竖直紧密贴合，上层介质基板的上表面设置接地板，上表面接地板尺寸为78mm×58mm，相应介质基板的尺寸为78mm×58mm，厚度为1.575mm；下层介质基板的上下表面均设置接地板，下表面接地板尺寸为62mm×47mm，上表面接地板尺寸为78mm×58mm，相应介质基板的尺寸为78mm×58mm，厚度为0.79mm。
金属通孔组成的上下两谐振腔体，上谐振腔体由上层介质基板、上层介质基板上表面接地板、下层介质基板的上表面接地板、上层介质基板内的金属通孔组成，金属通孔半径为0.5mm，金属通孔中心间距为1.5mm；下谐振腔体由下层介质基板、下层介质基板上下表面接地板、下层介质基板内的金属通孔组成，金属通孔半径为0.5mm，金属通孔中心间距为1.5mm。
矩形辐射槽蚀刻在上层介质基板上表面接地板上，宽边长度为43mm，短边长度为12mm，矩形辐射槽将上谐振腔体分割成左右两部分。
金属耦合探针由下层介质基板下表面接地板贯穿到上层介质基板上表面接地板，金属耦合探针半径为0.5mm，其中一个金属耦合探针位于上谐振腔体的左侧部分，另一个金属耦合探针位于上谐振腔体的右侧部分。
激励源由50欧姆微带线、共面波导馈线以及蚀刻在下层介质基板下表面接地板上关于共面波导馈线中心对称的两个矩形匹配槽组成，相应的50欧姆微带线长度为9mm，宽度为3mm，共面波导长度为6.5mm,宽度为3mm，缝隙宽度为1.3mm，矩形匹配槽长度为2mm,宽度为1mm。
图1为本发明双频段滤波天线的整体结构三维视图，如图所示：本发明双频段滤波天线，包括上层介质基板1，下层介质基板2，上层金属接地板3，中层金属接地板4，下层金属接地板5，金属通孔6、7，矩形辐射槽8，金属耦合探针9、10，金属匹配柱11，50欧姆微带线12，共面波导13、矩形匹配槽14。
上层介质基板1的厚度为1.575mm，基板上表面紧贴上层金属接地板3，基板下表面紧贴中层金属接地板4，矩形辐射槽蚀刻在上层金属接地板3上，上谐振腔体由上层介质基板1、上层金属接地板3、中层金属接地板4、金属通孔6组成，金属耦合探针9、10直接连接下层金属接地板5和上层金属接地板3。
下层介质基板2的厚度为0.79mm，基板上表面紧贴中层金属接地板4，下表面紧贴下层金属接地板5，下谐振腔体由下层介质基板2、中层金属接地板4、下层金属接地板5、金属通孔7组层，激励源是由50欧姆微带线12、共面波导13、矩形匹配槽14组成。
上层介质基板1和下层介质基板2两个介质基板竖直紧密贴合，材料均选用了TheRogers Duroid 5880，相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。
金属接地板、50欧姆微带线金属条带均为厚度相同的覆铜薄膜。
完成上述的初始设计之后，使用高频电磁仿真软件HFSS13.0进行仿真分析，经过仿真优化之后得到各项参数尺寸如表1所示：
表1本发明各参数最佳尺寸表
参照附图2、3、4，W、L分别代表上下谐振腔体的宽度和长度，L1、L2分别代表上谐振腔体被矩形槽分割成的左右两个部分的长度，d、s分别代表金属通孔的直径和金属通孔中心之间的间距，a代表金属耦合探针直径，b代表金属匹配柱直径，fin代表共面波导的长度，fms代表50欧姆微带线的长度，fw代表50欧姆微带线及共面波导的宽度，fsw代表共面波导缝隙宽度，mw、ml代表矩形槽的宽度和长度。
依照表1中的参数，使用HFSS对所设计的一种基片集成波导滤波天线的反射系数|S11|特性参数和可实现增益进行仿真分析，其分析结果如下：
图5为本发明的仿真得到的S参数和可实现增益随频率变化的曲线图。如图5所示，天线具有低频和高频两个通带，低频通带峰值增益达到5.1dBi，-10dB阻抗带宽超过1.8％；高频通带峰值增益达到5.4dBi，-10dB阻抗带宽超过3.5％,且通带内增益较为平坦，在通带外具有较好的增益抑制效果。图6为仿真的天线在低频通带中心频点2.82GHz时分别在E面和H面的方向图；图7为仿真的天线在高频通带中心频点4.08GHz时分别在E面和H面的方向图，从图中可以看出，天线具有良好的边射辐射特性。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种双频段基片集成波导滤波天线，其特征在于：该天线包括上层介质基板(1)、下层介质基板(2)、上层金属接地板(3)、中层金属接地板(4)、下层金属接地板(5)、第一金属通孔(6)、第二金属通孔(7)、矩形辐射槽(8)、第一金属耦合探针(9)、第二金属耦合探针(10)、金属匹配柱(11)和激励源；
所述上层介质基板(1)与下层介质基板(2)上下紧密贴合，在上层介质基板(1)的上表面设置上层金属接地板(3)，在下层介质基板(2)的上表面设置中层金属接地板(4)，在下层介质基板(2)下表面设置下层金属接地板(5)；
所述上层介质基板(1)、上层金属接地板(3)、第一金属通孔(6)和中层金属接地板(4)构成上谐振腔体，其中第一金属通孔(6)贯穿上层介质基板(1)以及上层金属接地板(3)，并呈直线分布在上层介质基板(1)的四周；
所述下层介质基板(2)、中层金属接地板(4)、下层金属接地板(5)和第二金属通孔(7)构成下谐振腔体，其中，第二金属通孔(7)贯穿下层介质基板(2)、中层金属接地板(4)以及下层金属接地板(5)，并呈直线分布在下层介质基板(2)的四周；
所述第一金属通孔(6)构成上谐振腔体的金属壁，所述第二金属通孔(7)构成下谐振腔体的金属壁，且金属通孔的位置对称；
所述矩形辐射槽(8)蚀刻在上层金属接地板(3)上，矩形辐射槽(8)设置在上谐振腔体中，将上谐振腔体分割成左右两个部分；
所述第一金属耦合探针(9)和第二金属耦合探针(10)由下层金属接地板(5)贯穿到上层金属接地板(3)，其中第一金属耦合探针(9)位于上层金属接地板(3)的左侧，用以连接下层金属接地板(5)和上层金属接地板(3)；第二金属耦合探针(10)位于上层金属接地板(3)的右侧，用以连接下层金属接地板(5)和上层金属接地板(3)；
所述金属匹配柱(11)由中层金属接地板(4)贯穿到上层金属接地板(3)，其位置设置在上层金属接地板(3)的右侧；
所述激励源设置在下层金属接地板(5)上。
2.根据权利要求1所述的一种双频段基片集成波导滤波天线，其特征在于：所述激励源包括依次连接的50欧姆微带线(12)、共面波导(13)和矩形匹配槽(14)；其中，50欧姆微带线(12)、共面波导(13)和矩形匹配槽(14)由外向内设置在下层金属接地板(5)上。
3.根据权利要求1或2所述的一种双频段基片集成波导滤波天线，其特征在于：所述上层金属接地板(3)、中层金属接地板(4)、下层金属接地板(5)和50欧姆微带线(12)的厚度相同。
4.根据权利要求1所述的一种双频段基片集成波导滤波天线，其特征在于：所述金属匹配柱(11)位于上谐振腔体的右侧部分。
5.根据权利要求2所述的一种双频段基片集成波导滤波天线，其特征在于：所述矩形匹配槽(14)关于共面波导(13)馈线的中轴线镜像对称。
6.根据权利要求1所述的一种双频段基片集成波导滤波天线，其特征在于：所述上层介质基板(1)和下层介质基板(2)为均长78mm，宽58mm的矩形，其中上层介质基板(1)厚度为1.575mm，下层介质基板(2)厚度为0.79mm。
7.根据权利要求1所述的一种双频段基片集成波导滤波天线，其特征在于：所述第一金属通孔(6)和第二金属通孔(7)的直径均为d＝1mm，金属通孔中心间距均为s＝1.5mm。
8.根据权利要求1所述的一种双频段基片集成波导滤波天线，其特征在于：所述矩形辐射槽(8)的宽边长度为43mm，短边长度为12mm。
9.根据权利要求1所述的一种双频段基片集成波导滤波天线，其特征在于：所述第一金属耦合探针(9)和第二金属耦合探针(10)的直径均为a＝1mm。
10.根据权利要求1、2或5所述的一种双频段基片集成波导滤波天线，其特征在于：所述金属匹配柱(11)的直径为b＝1mm；
所述50欧姆微带线(12)长度为fms＝9mm，所述共面波导(13)长度为fin＝6.5mm，宽度均为fw＝3mm；其中共面波导(13)的缝隙宽度为fsw＝1.3mm；
所述矩形匹配槽(14)的长度为ml＝2mm，宽度为mw＝1mm。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN115051153A (zh) * | 2022-07-27 | 2022-09-13 | 重庆邮电大学 | 一种差分圆极化滤波天线 |
| CN115051153B (zh) * | 2022-07-27 | 2023-07-18 | 重庆邮电大学 | 一种差分圆极化滤波天线 |
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