CN114937868A - 一种集成波导馈电的毫米波基片集成介质滤波天线 - Google Patents

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王晓凡
杨玲玲
唐世昌
秦伟
杨永杰
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Abstract

本发明涉及一种集成波导（SIW）馈电的毫米波基片集成介质滤波天线，由包括带耦合槽的SIW馈电结构在内的三层基板、添加金属化通孔的介质以及六层金属层组成。在不增加额外电路的情况下，SIW本身自带的高通特性在较低阻带中实现了良好辐射抑制水平；通过在介质上引入金属化通孔把高次模向主模拉近，拓展了带宽；同时更高次模式所形成的天然的辐射零点也随之向低频移，保证通带的高选择性；天线使用基片集成的技术以便于组装。本滤波天线没有额外的滤波电路就能实现良好的滤波性能，介质同时具有辐射和滤波的功能，由于基片集成的设计，增益也比这个频段的天线的增益高，达到9.69 dBi,同时在26.89–29.21 GHz范围内实现了8.3%的带宽。

Description

一种集成波导馈电的毫米波基片集成介质滤波天线
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种集成波导馈电的毫米波基片集成介质滤波天线。
背景技术
随着现代通信的快速发展，不断发展的移动互联网对数据传输的速率和信息交换的容量提出了更高的要求，并且小型化、高性能和低成本已成为微波电路的基本要求。在大部分射频前端中，带通滤波器和天线作为两个关键部件通常是分开设计的。近些年，适当的整合天线和滤波器被证明是降低成本以及微波系统的功能块尺寸的有效方法。为了将滤波器和天线结合，即滤波天线的设计，渐渐发展了很多方法，主要思路可以分为三类。传统来说，第一种方法是设计带通/带阻滤波器和天线，然后将它们组合在一起。显然，对于这种架构，滤波器和天线之间不可避免的存在体积庞大和显着的插入损耗的问题。在第二种方法中，天线既是滤波天线的辐射器又是最后一级谐振器。但是，它们都属于级联设计，特别是在馈电网络中结构笨重。
近十年来，提出了一种滤波天线的新元件并立即引起了极大的兴趣。这种元件同时具备滤波和辐射功能，顺应了多功能、高集成化趋势前端的需求。然而遗憾的是，目前对滤波天线的研究主要集中在sub-6 GHz频段，毫米波频段的滤波天线仍处于起步阶段。毫米波通信凭借可提供较宽的带宽，避免低频的干扰、高数据速率、低时延等优势，在5G应用中很有前景。由于插入损耗低、功率容量大以及易于集成的优点，集成波导（SIW）技术得到了深入研究，以用于设计高性能毫米波滤波天线。
最直接方法是将SIW滤波器级联到滤波天线上，然而，这种方式实际上无助于实现紧凑的尺寸和降低插入损耗。因此，基于滤波器理论的协同设计的方法被提出。一种将缝隙天线与SIW滤波器集成在一起的合成技术被提出，它结合滤波器合成原理，将带通滤波器中的末级谐振器替换为狭缝辐射器，获得了良好的滤波响应。为了提高选择性，交叉耦合方案被用于获得额外的辐射零点，有助于更锐利的滤波响应。此外，一种SIW四路反相滤波功率分配器馈电的毫米波滤波贴片天线阵列也被提出。接着，还有文献报道了一种新型SIW馈电的毫米波宽带滤波天线单元，然后经过一些设计组成了滤波天线阵列。值得注意的是，上述的滤波天线的辐射器部分都是金属材质，而且整体天线结构相对复杂，体积较大。金属天线在高频尤其毫米波段的辐射效率会显著降低。而介质谐振器在高频由于没有金属损耗，辐射效率较高,如果考虑到这点，相对于微带贴片天线，介质天线更适合毫米波频段。所以提出一个在毫米波频段结构简单且辐射效率高的SIW滤波天线很有必要。
发明内容
本发明的目的在于：克服上述现有技术的缺陷，提出一种集成波导馈电的毫米波基片集成介质滤波天线，由于介质具有易于激发、体积小、重量轻、辐射效率高等优点，很适合在毫米波段工作。首先SIW自带的高通特性能够在低端形成很好的辐射抑制。接着通过在介质上添加金属化通孔拓展了带宽，同时拉近了高频天然的辐射零点，保证了通带内良好的频率选择性。然后通过基片集成技术，提高天线集成度，实现了最终设计。
为了达到上述目的，本发明提出的
集成波导馈电的毫米波基片集成介质滤波天线，其特征在于：包括自下而上依次层叠设置的基片集成波导、中间层介质基板和介质块，所述介质块位于中间层介质基板的上方，正对于中间层介质基板的中央，两者构成介质谐振器，所述介质块开设有两排对称的沿X方向布置的金属化通孔，两排金属化通孔的距离W 5的取值范围为（b/2,b-0.4mm），b为介质块在Y方向上的长度。
进一步的，锁定金属化通孔的尺寸和相邻金属化通孔沿X轴的间距，通过参数扫描确定每排金属化通孔的数目和两排金属化通孔的距离W 5，使得天线获得8%以上的带宽，9.0dBi以上的带内峰值增益，低端27.0dBi以上的带外抑制，高端11.0dBi以上的带外抑制。
本发明提出了一种集成波导馈电的毫米波基片集成介质滤波天线，由于介质具有易于激发、体积小、重量轻、辐射效率高等优点，很适合在毫米波段工作。首先SIW自带的高通特性能够在低端形成很好的辐射抑制。接着通过在介质上添加金属化通孔拓展了带宽，同时拉近了高频天然的辐射零点，实现了通带内良好的频率选择性。然后通过基片集成，提高天线集成度，实现了最终设计。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明集成波导馈电的毫米波基片集成介质滤波天线的三维视图。
图2是集成波导馈电馈结构示意图。
图3是本发明集成波导馈电的毫米波基片集成介质滤波天线的俯视图。
图4是不同数目的金属化通孔数目n对应的反射系数和增益。
图5是不同距离的W 5对应的反射系数和增益。
图6是天线各自在两个谐振点处的方向图；(a) 27.30 GHz；(b)28.95 GHz。
图中标号示意如下：
1-介质块；2-金属化通孔；3-介质条；4-第一金属层；5-顶层介质框；6-第二金属层；7-第三金属层；8-中间层介质基板；9-第二金属层；10-金属地板；11-底层介质基板；12-底层金属层；13-馈电槽；14-集成波导腔；15-过渡槽。
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。
如图1至图3所示，本实施例集成波导馈电的毫米波基片集成介质滤波天线，包括自下而上依次层叠设置的基片集成波导、中间层介质基板8和介质块1。
其中，基片集成波导包括底层介质基板11、分设于底层介质基板11上下表面的金属地板10和底层金属层12、以及由金属化通孔构成的集成波导腔14，所述金属地10设置有馈电线、位于馈电线两侧的过渡槽15、和位于介质块1正下方的馈电槽13，馈电槽13用于把能量耦合到介质块1上。
介质块1位于中间层介质基板8上方的中央，两者构成介质谐振器，介质块1开设有两排对称的沿X方向布置的金属化通孔2，两排金属化通孔2的距离W 5的取值范围为b/2,b-0.4mm，b为介质块1在Y方向上的长度。两排金属化通孔2的引入，其目的在于：拓展带宽，拉近高端的辐射零点。
为了提高天线增益以及便于组装，在不提高剖面的情况下，本实施例构建了一个围绕着介质谐振器的金属化环形腔体，如图1所示。另外由于一次性成型的要求，一对介质线来连接介质谐振器和框架是必需的。在TM101 模式工作的情况下，介质谐振器的谐振频率主要由宽度决定即在x轴方向的a，那么我们沿y轴方向添加一对介质线后，对天线的效果几乎可以忽略不计。
具体来说，如图1所示，中间层介质基板8上具有绕介质块1设置的顶层介质框5，天线还具有围绕着介质谐振器设置的金属化环形腔体，该金属化环形腔体包括：分别设置于顶层介质框5上下两侧的第一金属层4和第二金属层6、分别设置于所述中间层介质基板8上下两侧的第三金属层7和第四金属层9，第一金属层4、第二金属层6、第三金属层7和第四金属层9通过贯穿顶层介质框5和中间层介质基板8的金属化通孔短路连接；介质块1在Y方向上两侧的中部通过介质条3与顶层介质框5固定，顶层介质框5的高度与介质块1相等。
介质块1和顶层介质框5选用Rogers RO3010(tm), 介电常数ε r1= 10.2, 损耗角正切tanδ=0.0035，介质块1和顶层介质框5的高度为h 1；中间层介质基板8选用Rogers RT/duroid 5880(tm),介电常数ε r2=2.2, 损耗角正切tanδ=0.0009，中间层介质基板8的高度为h 2；底层介质基板11选用Rogers RO4003(tm), 介电常数 ε r3=3.55, 损耗角正切tanδ=0.0027，底层介质基板11的高度为h 3。
滤波天线的尺寸见下表
滤波天线的尺寸 (mm).
<i>a</i> <i>b</i> <i>c</i> <i>d</i> <i>sa</i> <i>sb</i> <i>h</i><sub>1</sub> <i>h</i><sub>2</sub> <i>h</i><sub>3</sub> <i>L</i><sub>1</sub> <i>L</i><sub>2</sub>
3.9 5.9 1 2.6 8.2 12 1.27 0.254 0.508 5.45 3
<i>L</i><sub>3</sub> <i>L</i><sub>4</sub> <i>L</i><sub><i>5</i></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>W</i><sub>5</sub> <i>P</i> <i>S</i> <i></i>
1 0.5 4.2 3.15 0.825 0.8 1.1 5.2 0.8 1.4
本天线使用的集成波导在TM101模式下表现为一个高通滤波器，所以能在低频有很好的辐射抑制效果。通过在介质上添加金属化通孔，能让TE121模式向主模TM101靠近，拓展了带宽，同时非辐射非激励的高次模TE111所产生的天然的辐射零点也随之向低频移动，保证了通带的高选择性。接下来，我们具体研究金属化通孔2的位置以及数目对天线结果的影响。值得注意的是，金属化通孔2中心到中心最短的距离固定为加工最小精度L 4 = 0.5mm，金属化通孔2的半径为0.15mm，为加工最小精度。
如图4，把在介质中添加金属化通孔的数目定义为n。对n不同的数目进行模拟仿真，对应的反射系数和增益在图中给出。可以清楚看见随着金属化通孔数目的不断增加，第二个谐振模式向低频移动，而主模基本保持不变，得以拓展了带宽。与此同时，高频的辐射零点从31.85 GHz移动到29.80 GHz，保证了通带的高选择性。接着，观察左右两排金属化通孔之间的距离，即W 5，对天线性能的影响，其不同情况对应的结果在图5中给出。可以看出，随着距离不断加大，高端的辐射零点和第二个谐振模式都同时向低频移动，扩展了带宽，保证了通带的频率的选择性。因此可以得出结论，金属化通孔的有无，位置以及数目都对滤波天线的带宽和辐射零点的位置有明显的影响，权衡之下，最终确定了n=3, W 5 =5.2mm为最佳结果。
根据上述研究，获得了一个工作在毫米波段的基于基片集成的SIW馈电的介质滤波天线。本天线没有复杂的滤波结构，巧妙的借用SIW自带的高通特性以及金属化通孔拉近由高次模产生的天然的滤波零点，实现了滤波性能。最后经过基片集成技术，实现了该设计，天线获得8.3%的带宽，9.69 dBi的带内峰值增益，低端27.62dBi的带外抑制，高端11.50dBi的带外抑制。图6展示了两个谐振点的方向图。从图中可知：两个频点的辐射性能良好。
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 (8)

1.一种集成波导馈电的毫米波基片集成介质滤波天线，其特征在于：包括自下而上依次层叠设置的基片集成波导、中间层介质基板（8）和介质块（1），所述介质块（1）位于中间层介质基板（8）的上方，正对于中间介质基板（8）的中央，两者构成介质谐振器，所述介质块（1）开设有两排对称的沿X方向布置的金属化通孔（2），两排金属化通孔（2）的距离W 5的取值范围为（b/2,b-0.4mm），b为介质块（1）在Y方向上的长度。
2. 根据权利要求1所述的集成波导馈电的毫米波基片集成介质滤波天线，其特征在于：锁定金属化通孔（2）的尺寸和相邻金属化通孔（2）沿X轴的间距，通过参数扫描确定每排金属化通孔（2）的数目和两排金属化通孔（2）的距离W 5，使得天线获得8%以上的带宽，9.0dBi以上的带内峰值增益，低端27.0dBi以上的带外抑制，高端11.0dBi以上的带外抑制。
3. 根据权利要求2所述的集成波导馈电的毫米波基片集成介质滤波天线，其特征在于：金属化通孔（2）的半径为0.15mm，相邻金属化通孔（2）沿X轴的间距L 4 = 0.5mm。
4.根据权利要求1所述的集成波导馈电的毫米波基片集成介质滤波天线，其特征在于：所述基片集成波导包括底层介质基板（11）、分设于底层介质基板（11）上下表面的金属地板（10）和底层金属层（12）、以及由金属化通孔构成的集成波导腔（14），所述金属地（10）设置有馈电线、位于馈电线两侧的过渡槽（15）、和位于介质块（1）正下方的馈电槽（13）。
5.根据权利要求1所述的集成波导馈电的毫米波基片集成介质滤波天线，其特征在于：中间层介质基板（8）上具有绕介质块（1）设置的顶层介质框（5），所述天线还具有围绕着介质谐振器设置的金属化环形腔体，该金属化环形腔体包括：分别设置于顶层介质框（5）上下两侧的第一金属层（4）和第二金属层（6）、分别设置于所述中间层介质基板（8）上下两侧的第三金属层（7）和第四金属层（9），所述第一金属层（4）、第二金属层（6）、第三金属层（7）和第四金属层（9）通过贯穿顶层介质框（5）和中间层介质基板（8）的金属化通孔短路连接。
6.根据权利要求5所述的集成波导馈电的毫米波基片集成介质滤波天线，其特征在于：所述介质块（1）通过Y方向上两侧中部的介质条（3）与顶层介质框（5）相连，成为一个整体。
7.根据权利要求5所述的集成波导馈电的毫米波基片集成介质滤波天线，其特征在于：所述顶层介质框（5）的高度与介质块（1）相等。
8.根据权利要求3所述的集成波导馈电的毫米波基片集成介质滤波天线，其特征在于：所述底层介质基板（11）为双面印刷电路板，双面印刷电路板的顶层为所述的金属地板（10），底层为底层金属层（12）。
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