CN114927868B - 一种双向辐射滤波天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双向辐射滤波天线，顶层拱形高介电常数介质块与中间金属层构成拱形介质谐振器；顶层拱形高介电常数介质块与中间金属层构成拱形介质谐振器。中间金属层、中间金属层上的平行槽、中间层低介电常数基片、基片内呈小C字型排布的金属化通孔以及底层金属层结构构成背腔双槽结构。中间金属层结构、中间层低介电常数基片、基片内呈大C字型排布的金属化通孔、底层金属层结构以及底层金属层结构上的平行槽构成共面波导馈电结构。本发明通过共面波导馈电结构平行激励背腔双槽结构的TE20模式并通过背腔双槽结构耦合激励拱形介质谐振器TMδ2模，从而形成具有滤波效果的双向辐射特性，达到了尺寸小，效率高的效果。

Description

一种双向辐射滤波天线
技术领域
本发明涉及一种滤波天线，具体涉及一种双向辐射滤波天线。
背景技术
滤波天线是一种集滤波和辐射功能为一体的多功能元件，它不仅可以使系统本身的尺寸小型化，而且由于减少互耦的能力，进而可以减小系统之间的空间。双向辐射天线能在单个口径中同时产生两个定向波束，可减小所需的天线数量，具有波束窄、增益高、以及较强的抗干扰能力等特点，大大增加无线通信距离。因此，将双向辐射天线和滤波天线相结合的双向辐射滤波天线因兼具两者的优点而具有一定的研究价值。
现有报道的滤波天线大多数是单向辐射的。早期的设计方法是将天线和滤波器通过传输线进行级联，导致系统产生额外的损耗，所以效率较低。为了解决这个问题，提出了将天线作为滤波器末级谐振器的方法以及在辐射频带附近引入辐射零点的方法。相对于单向辐射滤波天线而言，现有的双向辐射滤波天线较少，一个是通过使用金属条带和带有两个对称槽的贴片，获得了具有对称双向辐射的频带，同时在上下频带边缘产生了两个可控辐射零点，辐射体尺寸为0.81×0.41×0.058λ0 3。另一个是通过在辐射贴片下方加载一对T形金属条，得到具有类似TM20模式的改进TM22模式，它与辐射贴片的TM20模式相结合，产生具有对称双向辐射的频带。同时在辐射贴片中嵌入两对短路的小贴片，可以在上下频带边缘产生两个辐射零点，实现双向辐射滤波特性，辐射体尺寸为0.75×0.43×0.038λ0 3。由此可见，上述双向辐射滤波天线尺寸较大，并且都是基于金属辐射器，当工作在毫米波频段时，由于趋肤效应导致导体损耗过高。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种双向辐射滤波天线，实现滤波双向辐射的同时，达到了小尺寸和高效率的目的。
技术方案：一种双向辐射滤波天线，包括顶层拱形高介电常数介质块、中间金属层结构、中间层低介电常数基片、底层金属层结构；中间金属层结构通过平行的两排C字型金属化通孔连接底层金属层结构，其中位于外侧的一排为呈大C字型排布的金属化通孔，位于内侧的为呈小C字型排布的金属化通孔；中间金属层结构上刻蚀有一对第一平行槽，第一平行槽位于呈小C字型排布的金属化通孔的内侧；底层金属层结构上刻蚀一对第二平行槽，第二平行槽位于呈小C字型排布的金属化通孔的内侧；
顶层拱形高介电常数介质块与中间金属层构成拱形介质谐振器；中间金属层结构、第一平行槽、中间层低介电常数基片、呈小C字型排布的金属化通孔以及底层金属层结构构成背腔双槽结构；中间金属层结构、中间层低介电常数基片、呈大C字型排布的金属化通孔、底层金属层结构以及第二平行槽构成共面波导馈电结构；
天线工作时，共面波导馈电结构激励起背腔双槽结构的TE20模式，产生双向辐射；同时背腔双槽结构将信号耦合到拱形介质谐振器并激励起TMδ2模，产生双向辐射。
进一步的，第二平行槽与第一平行槽相平行，且与顶层拱形高介电常数介质块相垂直。
有益效果：本发明的一种双向辐射滤波天线，通过共面波导馈电结构平行激励背腔双槽结构的TE20模式并通过平行双槽耦合激励拱形介质谐振器TMδ2模，从而形成具有滤波效果的双向辐射特性。与现有单向辐射滤波天线相比，可减少天线的数量，提高天线的利用率；与现有的双向辐射滤波天线相比，可以减小尺寸，降低导体损耗，提高辐射效率。
附图说明
图1为本发明双向辐射滤波天线的剖面图；
图2为本发明双向辐射滤波天线的爆炸图；
图3为实施例中双向辐射滤波天线的S参数和增益曲线图；
图4为实施例中双向辐射滤波天线的效率图；
图5为实施例中双向辐射滤波天线在25.1GHz、27.1GHz处的仿真E面方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1、图2所示，一种双向辐射滤波天线，包括顶层拱形高介电常数介质块1、中间金属层结构2、中间层低介电常数基片3、底层金属层结构4。中间金属层结构2通过平行的两排C字型金属化通孔连接底层金属层结构4，其中位于外侧的一排为呈大C字型排布的金属化通孔31，位于内侧的为呈小C字型排布的金属化通孔32。中间金属层结构2上刻蚀有一对第一平行槽21，第一平行槽21位于呈小C字型排布的金属化通孔32的内侧。底层金属层结构4上刻蚀一对第二平行槽41，第二平行槽41位于呈小C字型排布的金属化通孔32的内侧。其中，第二平行槽41与第一平行槽21相平行，且与顶层拱形高介电常数介质块1相垂直。高介电常数是指介电常数大于10，低介电常数是指介电常数小于10。
顶层拱形高介电常数介质块1与中间金属层2构成拱形介质谐振器。中间金属层结构2、第一平行槽21、中间层低介电常数基片3、呈小C字型排布的金属化通孔32以及底层金属层结构4构成背腔双槽结构。中间金属层结构2、中间层低介电常数基片3、呈大C字型排布的金属化通孔31、底层金属层结构4以及第二平行槽41构成共面波导馈电结构。
天线工作时，信号通过第二平行槽41构成的共面波导馈电结构馈入到背腔双槽结构，激励起背腔双槽结构的TE20模式，产生双向辐射；而后通过第一平行槽21构成的背腔双槽结构将信号耦合到拱形介质谐振器并激励起TMδ2模，产生双向辐射。两者在远场进行叠加产生高效率的双向辐射滤波特性。
本结构中，位于顶层的拱形高介电常数介质块1未直接覆盖在背腔双槽结构平行槽21上，从而提高了天线的辐射效率。底层金属层结构4上的第二平行槽41与中间金属层结构2上的第一平行槽21相平行，且与顶层拱形高介电常数介质块1相垂直，能够有效地防止双向辐射方向图的偏转。同时，中间层低介电常数基片3内呈大C字型排布的金属化通孔31可以进一步防止双向辐射的方向图偏转。
下面给出了本发明的一个具体实施案例，其结构如图1、图2所示，辐射体尺寸为0.30×0.47×0.12λ0 3。该天线的匹配及增益响应的仿真结果如图3所示。该天线的工作频带覆盖24.65GHz～27.56GHz，相对带宽为11.1％，工作频带内的最大增益为6.6dBi。图4是该天线的总效率图，设计天线的总效率最大为92.5％。图5是在谐振点25.1GHz和谐振点27.1GHz处的天线仿真E面方向图。该天线在两个谐振模式下产生的双向辐射在±45°时取得最大增益。在25.1GHz处仿真的交叉极化电平为-23.0dB。在27.1GHz处仿真的交叉极化电平为-26.8dB。本实施例中，高介电常数介质的介电常数为69，损耗角为0.00085，低介电常数介质的介电常数为3.38，损耗角为0.0027。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种双向辐射滤波天线，其特征在于，包括顶层拱形高介电常数介质块(1)、中间金属层结构(2)、中间层低介电常数基片(3)、底层金属层结构(4)；中间金属层结构(2)通过平行的两排C字型金属化通孔连接底层金属层结构(4)，其中位于外侧的一排为呈大C字型排布的金属化通孔(31)，位于内侧的为呈小C字型排布的金属化通孔(32)；中间金属层结构(2)上刻蚀有一对第一平行槽(21)，第一平行槽(21)位于呈小C字型排布的金属化通孔(32)的内侧；底层金属层结构(4)上刻蚀一对第二平行槽(41)，第二平行槽(41)位于呈小C字型排布的金属化通孔(32)的内侧；
顶层拱形高介电常数介质块(1)与中间金属层(2)构成拱形介质谐振器；中间金属层结构(2)、第一平行槽(21)、中间层低介电常数基片(3)、呈小C字型排布的金属化通孔(32)以及底层金属层结构(4)构成背腔双槽结构；中间金属层结构(2)、中间层低介电常数基片(3)、呈大C字型排布的金属化通孔(31)、底层金属层结构(4)以及第二平行槽(41)构成共面波导馈电结构；
天线工作时，共面波导馈电结构激励起背腔双槽结构的TE20模式，产生双向辐射；同时背腔双槽结构将信号耦合到拱形介质谐振器并激励起TMδ2模，产生双向辐射。
2.根据权利要求1所述的双向辐射滤波天线，其特征在于，第二平行槽(41)与第一平行槽(21)相平行，且与顶层拱形高介电常数介质块(1)相垂直。
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