CN114843773A - 一种集成式毫米波端射滤波天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种集成式毫米波端射滤波天线，包括基片集成波导滤波器、差分馈电网络、印刷偶极子和引向器，所述差分信号输出端口通过差分馈电网络连接印刷偶极子，引向器设置于印刷偶极子的辐射方向，该滤波器由两个TE₁₀₁模和一个TE₂₀₁模谐振腔构成，TE₂₀₁模式的谐振腔具有固有的反相场分布，用于产生差分输出。基于构建滤波器的两个关键因素，即耦合系数和外部品质因数，将两个TE₁₀₁模式和一个TE₂₀₁模式的基片集成波导腔合理耦合，以产生窄带三阶带通响应。在这种拓扑结构中，所提出的滤波器对负载阻抗不敏感，可以无缝连接到准八木天线进行辐射。

Description

一种集成式毫米波端射滤波天线

技术领域

本发明属于射频通信技术领域，涉及一种集成式毫米波端射滤波天线。

背景技术

毫米波通信比以往任何时候都受到广泛关注，并且已经成为即将到来的第五代（5G）通信及5G以后通信的必然发展趋势。在毫米波前端，降低损耗是确保毫米波技术走向实用的必要条件。因此，将两种或多种功能集成到一个电路中的融合器件已经成为一种流行的设计方法，这可以使多个器件之间避免像传统级联设计那样使用标准50Ω连接线，因此能减小电路总体尺寸。同时，基片集成波导作为一种高品质因数的传输线，在过去十年中被广泛应用于毫米波电路和天线的设计中。因此在毫米波频段，基于基片集成波导集成设计的多功能器件在降低损耗和小型化系统体积方面具有良好的前景。

滤波器作为频率选择元件，广泛用于毫米波前端，用于抑制谐波或镜频干扰。因此，最近对滤波器与其他器件融合的集成设计进行了广泛的研究。其中，滤波天线是一个典型的例子，其滤波响应通常通过以下两种方法设计，一种是在馈电网络中插入滤波电路，另一种是在辐射器上引入寄生元件以产生辐射零点。虽然产生辐射零点的方法对于天线增益和输入回波损耗来讲能容易地形成类似滤波器的响应，但是对于一些严格的设计指标有时很难满足，例如用于窄带镜频抑制、阻带滚降和抑制水平（滤波器的典型设计指标）。此外，该方法的有效性尚未在毫米波天线阵列中得到很好的验证。相反，馈电网络的滤波响应可以通过经典的滤波器的设计方法进行拟合，滤波天线的滤波特性与滤波器的滤波响应几乎相同。此外，端射天线由于能够直接板级集成，在毫米波频段（如室内基站等领域）得到了广泛的应用。为提高集成度，近年来开发了各种端射滤波天线。

发明内容

本发明的目的在于，解决上述现有技术中的不足，提出一种集成式毫米波端射滤波天线。

为了实现本发明目的，本发明提供的集成式毫米波端射滤波天线，包括基片集成波导滤波器、差分馈电网络、印刷偶极子和引向器，所述差分信号输出端口通过差分馈电网络连接印刷偶极子，引向器设置于印刷偶极子的辐射方向，其特征在于：所述基片集成波导滤波器包含一个输入端口、一对差分信号输出端口、两个级联的TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔和一个TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔，所述TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔具有两个幅度相同且相位相反的电场，所述输入端口设置于第1级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔的信号输入侧，TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔设置于第2级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔的一侧且与第2级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔耦合，差分信号输出端口设置于TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔的输出侧，差分信号输出端口的两个输出分别位于TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔的两个电场内。

本发明提出了一种集成式毫米波端射滤波天线，它由具有差分输出的基片集成波导滤波器馈电。基于构建滤波器的两个关键因素，即耦合系数和外部品质因数，将两个TE₁₀₁模式和一个TE₂₀₁模式的基片集成波导腔合理耦合，以产生窄带三阶带通响应。滤波器的最后一级是TE₂₀₁模式的谐振腔，它具有固有的反相场分布，用于产生差分输出。在这种拓扑结构中，所提出的滤波器对负载阻抗不敏感，因此共面准八木天线很容易与滤波器集成以构建端射滤波天线。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明；

图1是本发明集成式毫米波端射滤波天线的平面图。

图2是本发明集成式毫米波端射滤波天线的立体图。

图3是本发明天线中具有负载阻抗的滤波器的模拟电磁响应，（a）：负载阻抗为纯电阻并从30Ω变化到70Ω的|S ₁₁|变化曲线；（b）：当Re (Z _L ) = 50Ω 且Im (Z _L )从-10Ω变化到+10Ω的|S ₁₁|变化曲线。

图4是本发明实施例集成式毫米波端射滤波天线的模拟|S ₁₁|和增益结果。

图5是本发明实施例集成式毫米波端射滤波天线在中心频率为27.5GHz时的模拟辐射方向图（E面、H面）。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

图1和图2分别展示了集成式毫米波端射滤波天线的平面图和立体图，集成式毫米波端射滤波天线包括有基片集成波导滤波器、差分馈电网络、印刷偶极子和引向器，差分信号输出端口通过差分馈电网络连接印刷偶极子，引向器设置于印刷偶极子的辐射方向。如图1所示，差分馈电网络为一对从差分微带线过渡到共面带线的馈电微带线。印刷偶极子包括两个对称的偶极子臂。所采用的基片集成波导滤波器（一种微波传输线形式，通常由上层金属1、下层金属4、介质基板3和金属通孔2构成，其利用金属通孔在介质基板上实现波导的场传播模式）由两个TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔和一个TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔组成。具体来说，如图1所示，基片集成波导滤波器包含一个输入端口S ₁和一对差分信号输出端口，两个级联的TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔（第1级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔R ₁、第2级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔R ₂）和一个TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔R ₃， TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔R ₃设置于第2级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔R ₂的一侧且与第2级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔R ₂耦合，差分信号输出端口设置于TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔R ₃的输出侧，且差分信号输出端口的两个输出分别位于TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔的两个电场内。第1级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔R ₁和第2级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔R ₂之间的耦合窗口宽度为l ₁，第2级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔R ₂与两个TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔之间的耦合窗口宽度均为l ₂。

基片集成波导谐振腔的长度和宽度可以通过经典公式容易地确定。通过耦合混合TE₁₀₁/TE₂₀₁模式基片集成波导谐振腔，可以同时实现功率分配和滤波响应。与此同时，TE₂₀₁模式拥有两个幅度相同、相位相反的电场分布，可用于TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔R ₃实现差分输出，然后将平衡不平衡转换器功能集成到滤波器中。

本实施例中，输入端口S ₁通过50Ω接地共面波导与第一级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔R ₁连接，激发第1级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔R ₁的TE₁₀₁模式。所提出的滤波器采用的基板是Taconic TLY，相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为10mil。

在此设计中，输入和输出的外部品质因数和耦合系数可以由切比雪夫低通原型的集总参数（g ₀、g ₁、g ₂和g ₃）确定。两个相邻腔之间的耦合是通过基片集成波导耦合窗实现，即l ₁、 l ₂，输入/输出的外部品质因数Q _e 主要由馈线的馈入长度和馈线与腔之间的狭缝决定，加载于第1级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔R ₁的输入馈线两侧开槽的宽度t ₁和深度q ₁、 TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔R ₃的输出馈线两侧开槽的宽度t ₂和深度q ₂，所提出的滤波器的最终尺寸可以在微调后确定。

馈电网络中两条馈电微带线的长度为l ₃，宽度为W ₂，间隔为t ₃；印刷偶极子的长度为l ₄，宽度为W ₃；引向器的长度为l ₅，宽度为W ₄；印刷偶极子与引向器的中心距离为d ₁。另外，输入馈线的宽度为W ₀，输出馈线的宽度为W ₁，金属化通孔2的直径外d，间距为p。上述参数可通过仿真优化确定。

在此设计中，滤波器对负载阻抗Z _L 不敏感的特性使它与端射天线容易集成，构建出端射滤波天线。图3显示了所提出的具有变量Z _L 的滤波器的模拟电磁响应，其中，当Im(Z _L ) = 0时，Re (Z _L )的变化范围为30到70Ω，当Re (Z _L ) = 50Ω时，Im (Z _L )的变化范围为-10至10Ω。

如图3（a）所示，当负载阻抗为纯电阻并从30Ω变化到70Ω时，通带几乎保持不变，最大通带内反射系数 |S ₁₁| 从-27.29dB到-13.10dB变化稍大，而 |S ₂₁| 变化小于1dB，可以看出 |S ₁₁| 在Z _L = 50Ω时最优。如图3（b）所示，当Re (Z _L ) = 50Ω 且Im (Z _L )从-10变化到+10Ω时，通带也几乎保持不变， |S ₂₁| 保持0.3dB 的微小变化范围内，最大带内 |S ₁₁|在-27.29dB到-19.68dB之间变化。因此，可以看出所提出的滤波器在一定范围内对输出负载阻抗不敏感。

众所周知，准八木天线需要差分输入。在本设计中，准八木天线的输入阻抗Z _in 等效于所提出的滤波器的负载阻抗Z _L 。因此，准八木天线的Z _in 在小范围内的变化不会对所提出的滤波器的滤波性能产生太大影响。所以，将滤波器与准八木天线无缝集成是很方便的，如图1所示。同时，滤波器的底部金属地作为准八木天线的反射器。

为了演示，设计了一个如图1所示毫米波端射滤波天线。具体尺寸如下：

参数	<i>W</i><sub>0</sub>	<i>t</i><sub>1</sub>	<i>t</i><sub>2</sub>	<i>t</i><sub>3</sub>	<i>l</i><sub>1</sub>	<i>l</i><sub>2</sub>	<i>l</i><sub>3</sub>	<i>l</i><sub>4</sub>
									值(mm)	0.72	0.2	0.2	0.2	1.99	2.59	1.7	5.8
参数	<i>l</i><sub>5</sub>	<i>q</i><sub>1</sub>	<i>q</i><sub>2</sub>	<i>a</i><sub>1</sub>	<i>a</i><sub>2</sub>	<i>a</i><sub>3</sub>	<i>b</i><sub>1</sub>	<i>b</i><sub>2</sub>
									值(mm)	3.4	0.95	2.0	4.8	4.8	4.8	5.8	5.7
参数	<i>b</i><sub>3</sub>	<i>W</i><sub>1</sub>	<i>W</i><sub>2</sub>	<i>W</i><sub>3</sub>	<i>W</i><sub>4</sub>	<i>p</i>	<i>d </i>	<i>d</i><sub>1</sub>
									值(mm)	11.6	0.9	0.8	0.5	0.5	0.5	0.3	2.6

图4显示了提出的端射滤波天线的模拟|S ₁₁|和增益结果。可以发现，模拟阻抗带宽（|S ₁₁| < -10 dB）约为3.0%，带内峰值增益为6.4dBi，通带增益平坦。同时，其滤波性能与所提出的滤波器几乎相同，特别是对于增益阻带的滚降。图5显示了提出的端射滤波天线在中心频率为27.5GHz时的模拟辐射方向图，E面和H面的交叉极化均低于-18dB。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种集成式毫米波端射滤波天线，包括基片集成波导滤波器、差分馈电网络、印刷偶极子和引向器，所述差分信号输出端口通过差分馈电网络连接印刷偶极子，引向器设置于印刷偶极子的辐射方向，其特征在于：所述基片集成波导滤波器包含一个输入端口（S ₁）、一对差分信号输出端口、两个级联的TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔（R ₁、R ₂）和一个TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔（R ₃），所述TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔（R ₃）具有两个幅度相同且相位相反的电场，所述输入端口（S ₁）设置于第1级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔（R ₁）的信号输入侧，TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔（R ₃）设置于第2级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔（R ₂）的一侧且与第2级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔（R ₂）耦合，差分信号输出端口设置于TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔（R ₃）的输出侧，差分信号输出端口的两个输出分别位于TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔（R ₃）的两个电场内。

2.根据权利要求1所述的集成式毫米波端射滤波天线，其特征在于：差分馈电网络为一对从差分微带线过渡到共面带线的馈电微带线。

3.根据权利要求1所述的集成式毫米波端射滤波天线，其特征在于：所述印刷偶极子包括两个对称的偶极子臂。

4.根据权利要求1所述的集成式毫米波端射滤波天线，其特征在于：所述第1级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔（R ₁）和第2级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔（R ₂）之间的耦合窗口宽度为l ₁，第2级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔（R ₂）与TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔（R ₃）之间的耦合窗口宽度为l ₂。

5.根据权利要求1所述的集成式毫米波端射滤波天线，其特征在于：所述输入端口（S ₁）通过50Ω接地共面波导与第一级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔（R ₁）连接，激发第1级TE₁₀₁模基片集成波导谐振腔（R ₁）的TE₁₀₁模式。

6.根据权利要求1所述的集成式毫米波端射滤波天线，其特征在于：差分信号输出端口的两个输出对称地设置于TE₂₀₁模基片集成波导谐振腔（R ₃）内。

7.根据权利要求1所述的集成式毫米波端射滤波天线，其特征在于：基片集成波导滤波器由上层金属（1）、下层金属（4）、介质基板（3）和金属通孔（2）构成。

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