CN114843755A - 一种基片集成波导缝隙阵列滤波天线 - Google Patents

Abstract

本发明属于天线技术领域，特别涉及一种基片集成波导缝隙阵列滤波天线，包括介质基板、顶层金属平面、底层金属平面和互补开口环，介质基板上部刻蚀有上排金属通孔，下部刻蚀有下排金属通孔，右部刻蚀有右排金属通孔，顶层金属平面设有四条矩形缝隙，底层金属平面设有第一互补开口环和第二互补开口环，本发明不需要单独的滤波器，极大简化天线设计，缩减占用空间资源，也极大的降低天线加工成本；且没有滤波器引入额外的插入损耗可极大提升天线的增益。

Description

一种基片集成波导缝隙阵列滤波天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别涉及一种基片集成波导缝隙阵列滤波天线，可用于无线通信。

背景技术

随着第五代大规模多输入多输出(MIMO)技术的应用，通信设备功能的增加，射频器件也成倍增加，导致射频前端系统空间非常拥挤。为解决射频前端空间资源紧缺提出了滤波天线技术，滤波天线主要是将天线和滤波器一体集成，具有简化设计、缩小占用横向面积、提升天线增益等优点。同时，为解决波导体积大不易集成、高频微带容差小不易加工的问题，提出了基片集成波导结构，基片集成波导主要是将传统平面传输线和波导集成在同一基板上，同时具有平面传输线和非平面波导结构的优点，相当程度上也兼具了微带线易集成和波导低插损、高Q值以及高功率容量的优点，在军事雷达，通信，医疗探伤，电子对抗，环境监测等方面均具有巨大的应用潜力，引起了学术界和工业界的高度重视。因此研究基片集成波导滤波天线有非常高的实际工程应用价值。

目前已报道的基片集成波导缝隙阵列滤波天线为了实现滤波特性大多采用级联设计或者多层耦合技术，而这种设计方案明显缺点在于滤波器和天线之间匹配困难，造成较差的回波损耗；而且不可避免地造成元件体积较大，这对本就非常紧缺的射频前端系统空间来说非常不友好，最重要的是滤波器会引入额外的插入损耗从而降低天线增益，降低通信质量。

发明内容

为解决传统基片集成波导滤波天线紧凑性低、增益低，设计复杂等问题，本发明提供了一种基片集成波导缝隙阵列滤波天线，所述基片集成波导缝隙阵列滤波天线包括介质基板、顶层金属平面、底层金属平面和互补开口环，介质基板上部刻蚀有上排金属通孔，下部刻蚀有下排金属通孔，右部刻蚀有右排金属通孔，顶层金属平面设有四条矩形缝隙，底层金属平面设有第一互补开口环和第二互补开口环。

进一步的，介质基板采用Rogers5880材料，介质基板的长边为60mm，短边为18.8mm。

进一步的，介质基板左部的中间位置设有长条形馈电端口，长条形馈电端口的右端口上侧刻蚀有上侧排金属通孔，右端口下侧刻蚀有下侧排金属通孔。

进一步的，上排金属通孔、下排金属通孔、右排金属通孔、上侧排金属通孔和下侧排金属通孔中的金属通孔的半径为0.5mm，金属通孔中心间距为1.5mm。

进一步的，底层金属平面上的第一开口环位置靠近上侧排金属通孔和上排金属通孔，第二开口环位置靠近右排金属通孔和下排金属通孔，两个开口环的中心距离为34.5mm。

进一步的，第一互补开口环由一对开口方向相反的同心的内外正方形金属环组成，外正方形金属环的边长为2.55～2.7mm，边宽为0.2mm，其开口为0.4mm，内正方形金属环的边长为1.75～1.9mm，边宽为0.2mm，其开口为0.4mm，第二互补开口环与第一互补开口环结构相同。

进一步的，顶层金属平面上的四条矩形缝隙上下错开排列，每一条矩形缝隙长为14mm，宽为0.25mm。

进一步的，最右侧的矩形缝隙的中心与右排金属通孔的距离为10.5～10.9mm。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种基片集成波导缝隙阵列滤波天线，充分利用基片集成波导缝隙阵列天线的底层金属平面，在其上刻蚀两个互补开口环在通带下边缘引入一个辐射零点改善滤波特性的滚降度，同时结合右侧缝隙辐射场遇短路壁反射形成驻波，在上通带边缘引入一个辐射零点，最终实现滤波特性。

本发明不需要单独的滤波器，极大简化天线设计，缩减占用空间资源，也极大的降低天线加工成本；且没有滤波器引入额外的插入损耗可极大提升天线的增益，这种设计方案使得通信距离更远，通信质量更优，元件更加紧凑。

附图说明

图1为本发明实施例的基片集成波导缝隙阵列滤波天线的顶层结构示意图；

图2为本发明实施例的基片集成波导缝隙阵列滤波天线的底层结构示意图；

图3为本发明实施例的互补开口环结构示意图；

图4为传统的基片集成波导滤波天线示意图；

图5为本发明滤波天线的仿真结果；

图6为本发明实施例的参考文章滤波天线的仿真结果；

图7为本发明极化方向图的仿真结果；

图8为本发明实施例的参考文章滤波天线极化方向图的仿真结果；

图9为本发明实施例的参考文章的滤波结构示意图；

1-馈电端口，2-辐射缝隙，3-顶层金属平面，4-互补开口环，5-底层金属平面，6-金属通孔。

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。

为解决传统基片集成波导滤波天线级联设计和多层设计占用体积大，过多金属铜柱导致天线韧性较差，滤波器引入额外插入损耗降低天线增益等问题。本发明采用一种新型设计方法，基于传统缝隙阵列天线设计，利用缝隙辐射遇短路壁反射形成驻波，在通带上边缘引入辐射零点；结合互补开口环带通特性，在底层金属平面刻蚀互补开口环，在通带下边缘引入一个辐射零点，最终实现滤波天线的融合设计。极大的降低了天线和滤波器所占用的横向面积，提升天线增益，从而可提升无线通信质量，也可以提升天线板材的韧性间接提升天线的使用寿命。

在一实施例中，如图1、2所示，一种基片集成波导缝隙阵列滤波天线，包括馈电端口1、介质基板、辐射缝隙2、顶层金属平面3、底层金属平面5和互补开口环4，介质基板上部刻蚀有上排金属通孔，下部刻蚀有下排金属通孔，右部刻蚀有右排金属通孔作为短路壁，顶层金属平面设有四条矩形缝隙，底层金属平面设有第一互补开口环和第二互补开口环。

具体地，底层金属平面与介质基板完全重合，顶层金属平面的左上角与左下角切割掉了相同大小的矩形块，如图1所示，介质基板上馈电端口的上下两侧均无金属平面覆盖，从而使馈电端口中的馈线保持50Ω阻抗，得到较优的回拨损耗，其中阻抗主要由馈线金属宽度决定。

具体地，整体电路采用Rogers5880材料为基片，如图1所示，介质基板采用Rogers5880材料，介质基板的长边为60mm，短边为18.8mm，其厚度为0.5mm。波导的工作频率主要由波导短边(基板的短边)决定，工作通带选择在10.15GHz到10.76GHz。

具体地，如图1所示，介质基板左部的中间位置设有长条形的馈电端口，长条形馈的电端口的右端口上侧刻蚀有上侧排金属通孔，右端口下侧刻蚀有下侧排金属通孔，上侧排金属通孔与下侧排金属通孔相同。

具体地，如图1所示，上排金属通孔、下排金属通孔、右排金属通孔、上侧排金属通孔和下侧排金属通孔中的所有金属通孔6的半径都为0.5mm，且每相邻两个金属通孔的中心间距为1.5mm。

具体地，如图1所示，顶层金属平面上的四条矩形缝隙设置在金属通孔围成的空间内，四条矩形缝隙纵向上下错开排列，相邻矩形缝隙的中心横向距离为11mm，每一条矩形缝隙长为14mm，宽为0.25mm，其中，左右两端的矩形缝隙与波导水平中心线(图1中的虚线)之间距离距离为2.4mm，中间的两条矩形缝隙与波导水平中心线(图1中的虚线)之间距离距离为2.55mm，主要目的减弱缝隙之间耦合谐振改善回波损耗；其中，最右侧的矩形缝隙的中心与右排金属通孔的距离为10.7mm，最右侧的矩形缝隙的辐射场遇短路壁(右排金属通孔)反射形成驻波，在上通带边缘引入一个辐射零点，记作上辐射零点，可通过调整最右侧矩形缝隙与短路壁之间的距离来调整上辐射零点位置。

具体地，如图2所示，底层金属平面的第一互补开口环和第二互补开口环设置在金属通孔围成的空间内，第一开口环位置靠近上侧排金属通孔和上排金属通孔，第二开口环位置靠近右排金属通孔和下排金属通孔，且第一互补开口环与第二互补开口环的中心间距为34.5mm。

具体地，通过调整互补开口环的大小来调整下辐射零点位置，补开口环的外正方形金属环的边长为2.55～2.7mm，内正方形金属环的边长为1.75～1.9mm，因此下辐射零点的频率变动范围在10.32GHz～9.68GHz，如图3所示，本实施例中，第一互补开口环由一对开口方向相反的同心的内外正方形金属环组成，外正方形金属环的边长选择为2.6mm，边宽为0.2mm，其开口为0.4mm，内正方形金属环的边长为1.8mm，边宽为0.2mm，其开口为0.4mm，第二互补开口环与第一互补开口环结构相同。

本实施例中的基片集成波导缝隙阵列滤波天线的整体工作原理为：信号从馈电端口输入，矩形缝隙实现辐射信号功能，在通带下边缘引入一个辐射零点，记为下辐射零点，结合互补开口环的带通特性来抑制通带下边频的频率，所以可通过调整互补开口环的大小来调整下辐射零点位置；上辐射零点主要由最右侧的缝隙辐射遇短路壁反射形成驻波实现，可通过调整最右侧矩形缝隙与短路壁之间的距离来调整上辐射零点位置。因此该设计思路可以简化传统天线在馈电端口的设计，缩减滤波器所占用的横向面积，进一步提高天线和滤波器的紧凑性。

传统的基片集成波导滤波天线如图4所示，它主要由输入端、基片集成波导滤波器、缝隙阵列天线组成，其中滤波和辐射功能分开实现。其工作原理为：信号从输入口输入，经过基片集成波导滤波器实现通带外信号滤除，之后有用信号进入波导缝隙天线辐射，其中“基片集成波导全向滤波天线多天线阵列”一文中的滤波天线也沿用这种结构进行设计，而本发明在此基础上改进，在基片集成波导缝隙阵列滤波天线的底层金属平面刻蚀两个互补开口环，这些互补开口环能够提升天线的滤波特性，性能与传统的基片集成波导滤波天线相比有较大提升，对本发明提出的滤波天线和“基片集成波导全向滤波天线多天线阵列”一文中的滤波天线进行仿真，其仿真结果如图5-8所示。由仿真结果可以看出本发明滤波天线回波损耗(S11)的工作频率范围在10.15～10.76GHz，参考文章滤波天线回波损耗(S11)的工作频率范围在14.1～14.6GHz；本发明天线增益(Realized Gain)在通带范围内达到最高值～9.5dBi，参考文章天线增益(Realized Gain)在通带范围内达到最高值～5.5dBi；本发明采用基板长度为60mm，参考文章所需基板长度145mm。所以本发明结构更加紧凑、带宽更大、增益更高。

具体地，在结构方面，参考文章中滤波器部分如图9所示，占用的基板长度为38.4mm，占整个天线长度(145mm)的近1/3，且3阶滤波器的众多金属铜柱不仅增加加工成本，还在一定程度上降低基板韧性；而本发明去除传统滤波天线中滤波器电路部分，所以无论是紧凑性方面还是韧性方面都要优于参考天线，也提升了天线的使用寿命。在性能方面，如表1所示，参考文章受滤波器插入损耗影响，增益明显较低～5.5dBi。本发明没有插入损耗影响，因此增益明显较高达到9.5dBi；此外参考文章受滤波器和天线之间匹配影响，绝对带宽只有500MHz，而本发明绝对带宽达到600MHz。同时将两种滤波部分提取出来，如图3、9所示，可以清晰看到本发明完全可以省去参考文章滤波器电路部分，这种结构更加符合天线和滤波器紧凑性的设计理念。

表1本发明与参考文章的缝隙阵列滤波天线对比结果

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，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在本发明中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种基片集成波导缝隙阵列滤波天线，其特征在于，包括介质基板、顶层金属平面、底层金属平面和互补开口环，介质基板上部刻蚀有上排金属通孔，下部刻蚀有下排金属通孔，右部刻蚀有右排金属通孔作为短路壁，顶层金属平面设有四条矩形缝隙，底层金属平面设有第一互补开口环和第二互补开口环。

2.根据权利要求1所述的一种基片集成波导缝隙阵列滤波天线，其特征在于，介质基板采用Rogers5880材料，介质基板的长边为60mm，短边为18.8mm。

3.根据权利要求1所述的一种基片集成波导缝隙阵列滤波天线，其特征在于，介质基板左部的中间位置设有长条形馈电端口，长条形馈电端口的右端口上侧刻蚀有上侧排金属通孔，右端口下侧刻蚀有下侧排金属通孔。

4.根据权利要求3所述的一种基片集成波导缝隙阵列滤波天线，其特征在于，上排金属通孔、下排金属通孔、右排金属通孔、上侧排金属通孔和下侧排金属通孔中的金属通孔的半径为0.5mm，金属通孔中心间距为1.5mm。

5.根据权利要求3所述的一种基片集成波导缝隙阵列滤波天线，其特征在于，底层金属平面上的第一开口环位置靠近上侧排金属通孔和上排金属通孔，第二开口环位置靠近右排金属通孔和下排金属通孔，两个开口环的中心距离为34.5mm。

6.根据权利要求5所述的一种基片集成波导缝隙阵列两年半天线，其特征在于，第一互补开口环由一对开口方向相反的同心的内外正方形金属环组成，外正方形金属环的边长为2.55～2.7mm，边宽为0.2mm，其开口为0.4mm，内正方形金属环的边长为1.75～1.9mm，边宽为0.2mm，其开口为0.4mm，第二互补开口环与第一互补开口环结构相同。

7.根据权利要求1所述的一种基片集成波导缝隙阵列滤波天线，其特征在于，顶层金属平面上的四条矩形缝隙上下错开排列，每一条矩形缝隙长为14mm，宽为0.25mm。

8.根据权利要求7所述的一种基片集成波导缝隙阵列滤波天线，其特征在于，最右侧的矩形缝隙的中心与右排金属通孔的距离为10.5～10.9mm。

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