CN114944553A - 一种毫米波介质谐振器滤波天线阵列及其构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微波通信技术领域，具体涉及一种毫米波介质谐振器滤波天线阵列及其构建方法。本发明充分利用基片集成波导谐振腔的TE201模式来直接实现一分四的等功率分配功能，简化传统设计方案复杂的馈电网络，使天线阵列具有结构简单且紧凑的优点；本发明利用滤波器理论来设计滤波天线阵列，将工作在TE201模式下的基片集成波导谐振腔作为滤波器的第一级谐振器，而工作在TEy111模式下的介质谐振器作为滤波器的第二级谐振器，同时也作为天线阵列的辐射器。根据理论公式推导，合理利用两级谐振器之间的耦合系数使天线阵列实现等功率分配功能的同时具备滤波功能。
Description
技术领域
本发明属于微波通信技术领域，具体涉及一种毫米波介质谐振器滤波天线阵列及其构建方法。
背景技术
在传统设计中，滤波器和天线这两个器件总是分开设计，并用传输线相连。显然，这种架构具有体积大的缺点，同时滤波器和连接电路会引入较为显著的插入损耗。近十年来，一种被称为滤波天线的新型器件被提出并立即引起研究学者的极大兴趣，此类器件同时具备滤波和辐射功能，符合射频前端多功能化和高集成度的发展要求。实现滤波天线的方法主要分为三类：一是通过改进馈电结构来形成滤波性能；二是使用滤波器理论来集成天线和滤波器，天线既作为辐射单元又充当滤波器的最后一级谐振器；三是改进辐射单元，将滤波结构嵌入其中，例如使用短路通孔、短截线、刻蚀槽等手段。然而，这些设计大多数都工作在较低频段。
随着现代无线通信技术的快速发展，第五代(5G)通信越来越受到人们的关注，为了追求更高的传输速率和更低的时间延迟，近年来许多学者开始探索毫米波频段的应用潜力。但值得注意的是，目前已发表的滤波天线中大多数设计的馈电结构都基于微带线。在毫米波频段下，微带设计将不可避免地引入严重的插入损耗，而且这些微带线构成的馈电网络相对较为复杂。在毫米波频段，为了克服路径损耗，天线组阵是一个重要的发展趋势，显然复杂的馈电网络不利于天线阵列的构建。有研究学者选择金属波导这种密闭结构来代替微带线进行能量的传输，减轻损耗问题，但是它的体积笨重且三维结构并不适合与平面电路集成。此时，采用低插入损耗、低剖面、高功率容量以及易于集成的基片集成波导技术来设计毫米波频段的滤波天线及阵列，是一个良好的选择。但现有的毫米波滤波天线阵列中，大多数设计仍然采用传统的一分二、二分四架构来构建馈电网络，这会造成阵列的整体体积过大并增加传输损耗。
此外，与微带贴片天线相比，介质谐振器天线因具有结构紧凑、易于激励、设计自由度大等性能优势被广泛应用于滤波天线的设计当中。同时更值得注意的是，随着载波频率上升至毫米波频段，金属的趋肤效应愈发显著，导致微带贴片天线的辐射效率降低。相比较而言，几乎没有导体损耗、具有高辐射效率的介质谐振器天线将更加适合毫米波频段的应用设计。到目前为止，有研究学者提出了一些基于基片集成波导馈电的毫米波介质谐振器天线及阵列的设计方案，但缺少滤波功能的集成。
发明内容
本设计针对上述技术所存在的问题，提出了一种毫米波介质谐振器滤波天线阵列及其构建方法。本发明通过充分利用基片集成波导谐振腔的高次模TE201，直接实现了一分四的等功率分配馈电，简化传统馈电网络。本发明利用滤波器理论来设计滤波天线阵列，将工作在TE201模式下的基片集成波导谐振腔作为滤波器的第一级谐振器，而工作在TEy 111模式下的介质谐振器作为滤波器的第二级谐振器，同时也作为天线阵列的辐射器。根据理论公式推导，合理利用两级谐振器之间的耦合系数，使阵列实现等功率分配功能的同时具备滤波功能。
本发明为实现上述发明目的，采取的技术方案如下：
一种毫米波介质谐振器滤波天线阵列，包括自下而上依次层叠设置的下金属地板、介质基板、上金属地板及介质谐振器，所述上金属地板上表面设置四个正方形介质谐振器；所述四个正方形介质谐振器关于上金属地板的中心线对称阵列设置；所述上金属地板的一侧沿着x轴方向刻蚀出两条宽度相等的窄缝隙；所述上金属地板的中心线上设置金属馈线；所述金属馈线位于两条宽度相等的窄缝隙的中间；所述上金属地板的另一侧刻蚀有四个尺寸相同且相邻中心间距相等的矩形耦合缝隙；所述四个正方形介质谐振器分别与四个相对应的矩形耦合缝隙的垂直投影面的中心相重合；所述介质基板设置金属通孔；所述下金属地板、介质基板、金属通孔及上金属地板形成基片集成波导谐振腔，其工作在TE201模式；所述基片集成波导谐振腔构成天线阵列的滤波功能的第一级谐振器；所述金属馈线、两条宽度相等的窄缝隙与垂直投影在窄缝隙两侧的金属通孔形成接地共面波导；所述四个正方形介质谐振器构成天线阵列的滤波功能的第二级谐振器，同时具有向自由空间辐射能量的作用；天线阵列的能量输入端口位于接地共面波导与介质基板的一侧边缘相交的位置；所述接地共面波导与基片集成波导谐振腔连接，能量输入端口通过接地共面波导将能量馈入基片集成波导谐振腔，使其在TE201模式下工作。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述基片集成波导谐振腔通过四个相对应的矩形耦合缝隙将能量均匀地分成四等份输出，来激励四个正方形介质谐振器，使其工作在TEy 111模式下。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述介质基板为双面印刷电路板，采用Rogers RT/Duroid 5880型号板材，其介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。
一种毫米波介质谐振器滤波天线阵列的构建方法，包括以下步骤：步骤1、设计一个二阶带通滤波器，根据所需性能指标计算滤波器低通原型的集总参数，再据此计算二阶带通滤波器的输入和输出端的外部品质因数，以及两级谐振器之间的耦合系数；步骤2、构建一个具有单个介质谐振器(1)和单个矩形耦合缝隙(2)的初始滤波天线，将该天线中的基片集成波导谐振腔视作步骤1中二阶带通滤波器的第一级谐振器，单个介质谐振器(1)视作步骤1中二阶带通滤波器的第二级谐振器，同时起到向外辐射的作用；此时，单个介质谐振器(1)的辐射品质因数等同于二阶带通滤波器输出端的外部品质因数；步骤3、基于步骤2中的初始滤波天线，在同一个基片集成波导谐振腔上构建具有n个介质谐振器(1)和n个矩形耦合缝隙(2)的滤波天线阵列，每个相邻单元的中心间距相等；进一步根据计算公式推导得，滤波天线阵列中每个介质谐振器(1)的辐射品质因数均与初始滤波天线的辐射品质因数相等，而滤波天线阵列中每个介质谐振器(1)与基片集成波导谐振腔之间的耦合系数是初始滤波天线中两级谐振器之间耦合系数的
步骤4、根据步骤1-3中确定的理论设计参数，通过调整用于激励第一级基片集成波导谐振腔的接地共面波导中两个窄缝隙(3)的长度和宽度，使滤波天线阵列的输入端满足步骤1中得到的外部品质因数；步骤5、通过调节介质谐振器(1)的边长和介电常数，使滤波天线阵列中每个介质谐振器(1)满足步骤2中得到的辐射品质因数；步骤6、通过调节矩形耦合缝隙(2)的尺寸，使得滤波天线阵列中每个介质谐振器(1)与基片集成波导谐振腔之间的耦合度满足步骤3中得到的耦合系数。
本发明所述的一种毫米波介质谐振器滤波天线阵列及其构建方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明充分利用基片集成波导谐振腔的TE201模式来直接实现一分四的等功率分配功能，简化传统设计方案复杂的馈电网络，使天线阵列具有结构简单且紧凑的优点；本发明利用滤波器理论来设计滤波天线阵列，将工作在TE201模式下的基片集成波导谐振腔作为滤波器的第一级谐振器，而工作在TEy 111模式下的介质谐振器作为滤波器的第二级谐振器，同时也作为天线阵列的辐射器。根据理论公式推导，合理利用两级谐振器之间的耦合系数使天线阵列实现等功率分配功能的同时具备滤波功能。
附图说明
图1是本发明实施例滤波天线阵列的分解图；
图2是本发明实施例滤波天线阵列的俯视图；
图3是初始滤波天线的工作原理拓扑图；
图4是本发明实施例滤波天线阵列的工作原理拓扑图；
图5是本发明实施例滤波天线阵列的反射系数曲线图；
图6是本发明实施例滤波天线阵列的增益曲线图；
图7是本发明实施例滤波天线阵列在27.2GHz频率点下的辐射方向图；
图8是本发明实施例滤波天线阵列在28.1GHz频率点下的辐射方向图；
附图中，1-介质谐振器，2-矩形耦合缝隙，3-窄缝隙，4-金属馈线，5-上金属地板，6-金属通孔，7-介质基板，8-下金属地板。
具体实施方式
下面结合附图详细的描述本发明的作进一步的解释说明，以使本领域的技术人员可以更深入地理解本发明并能够实施，但下面通过参考实例仅用于解释本发明，不作为本发明的限定。
如图1至图2，一种毫米波介质谐振器滤波天线阵列，包括自下而上依次层叠设置的下金属地板8、介质基板7、上金属地板5及介质谐振器1，所述上金属地板5上表面设置四个正方形介质谐振器1；所述四个正方形介质谐振器1关于上金属地板5的中心线对称阵列设置；所述上金属地板5的一侧沿着x轴方向刻蚀出两条宽度相等的窄缝隙3，宽度为wg；所述上金属地板5的中心线上设置金属馈线4；所述金属馈线4位于两条宽度相等的窄缝隙3的中间；所述上金属地板5的另一侧刻蚀有四个尺寸相同且相邻中心间距相等的矩形耦合缝隙2，矩形耦合缝隙2的长度为lc，宽度为wc；所述四个正方形介质谐振器1分别与四个相对应的矩形耦合缝隙2的垂直投影面的中心相重合；所述介质基板7设置金属通孔6；所述下金属地板8、介质基板7、金属通孔6及上金属地板5形成基片集成波导谐振腔，其工作在TE201模式，其长度为la，宽度为wa；所述基片集成波导谐振腔构成天线阵列的滤波功能的第一级谐振器；从图2来看，矩形耦合缝隙2分别位于基片集成波导谐振腔内部的四个角落，相邻两个矩形耦合缝隙2的中心间距相等，所述金属馈线4、两条宽度相等的窄缝隙3与垂直投影在窄缝隙3两侧的金属通孔6形成接地共面波导；矩形耦合缝隙2上方分别设置有四个尺寸相同的正方形介质谐振器1，它们都工作在TEy 111模式下，所述四个正方形介质谐振器1构成天线阵列的滤波功能的第二级谐振器，同时具有向自由空间辐射能量的作用；天线阵列的能量输入端口位于接地共面波导与介质基板7的一侧边缘相交的位置；所述接地共面波导与基片集成波导谐振腔连接，能量输入端口通过接地共面波导将能量馈入基片集成波导谐振腔，使其在TE201模式下工作。
基片集成波导谐振腔通过四个相对应的矩形耦合缝隙将能量均匀地分成四等份输出，来激励四个正方形介质谐振器1，使其工作在TEy 111模式下。介质基板7为双面印刷电路板，采用Rogers RT/Duroid 5880型号板材，其介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为hs。矩形耦合缝隙2上方分别设置有四个尺寸相同的正方形介质谐振器1，它们选用介电常数为20.5、损耗角正切为0.00014的材料制成，长度和宽度均为ld，高度为hd。
本发明实施例滤波天线阵列详细的参数见表I；
表I
| 参数 | l<sub>a</sub> | w<sub>a</sub> | d<sub>a</sub> | l<sub>c</sub> | w<sub>c</sub> | l<sub>d</sub> | h<sub>d</sub> | l<sub>g</sub> |
| 数值/mm | 8.6 | 7.85 | 6.4 | 1 | 0.7 | 3.2 | 0.6 | 0.525 |
| 参数 | w<sub>g</sub> | w<sub>f</sub> | l<sub>s</sub> | w<sub>s</sub> | h<sub>s</sub> | p<sub>v</sub> | d<sub>v</sub> | |
| 数值/mm | 0.24 | 1.2 | 28.5 | 18 | 0.508 | 0.52 | 0.3 |
本发明实施例滤波天线阵列是利用滤波器理论来设计的，所对应的滤波器为二阶带通滤波器，工作在TE201模式下的基片集成波导谐振腔为所对应滤波器的第一级谐振器，四个工作在TEy 111模式下的正方形介质谐振器1为所对应滤波器的第二级谐振器，同时具有向自由空间辐射能量的作用。本发明实施例滤波天线阵列的能量输入端口位于接地共面波导与介质基板7的边缘相交的位置，输入端口通过接地共面波导与基片集成波导谐振腔相连接，将能量馈入基片集成波导谐振腔，使其在TE201模式下工作。
一种毫米波介质谐振器滤波天线阵列的构建方法，包括以下步骤：步骤1、设计一个二阶带通滤波器，根据所需性能指标计算滤波器低通原型的集总参数，再据此计算二阶带通滤波器的输入和输出端的外部品质因数，以及两级谐振器之间的耦合系数；
步骤2、构建一个具有单个介质谐振器1和单个矩形耦合缝隙2的初始滤波天线，将该天线中的基片集成波导谐振腔视作步骤1中二阶带通滤波器的第一级谐振器，单个介质谐振器1视作步骤1中二阶带通滤波器的第二级谐振器，同时起到向外辐射的作用；此时，单个介质谐振器1的辐射品质因数等同于二阶带通滤波器输出端的外部品质因数；
步骤3、基于步骤2中的初始滤波天线，在同一个基片集成波导谐振腔上构建具有n个介质谐振器1和n个矩形耦合缝隙2的滤波天线阵列，每个相邻单元的中心间距相等；进一步根据计算公式推导得，滤波天线阵列中每个介质谐振器1的辐射品质因数均与初始滤波天线的辐射品质因数相等，而滤波天线阵列中每个介质谐振器1与基片集成波导谐振腔之间的耦合系数是初始滤波天线中两级谐振器之间耦合系数的
步骤4、根据步骤1-3中确定的理论设计参数，通过调整用于激励第一级基片集成波导谐振腔的接地共面波导中两个窄缝隙3的长度和宽度，使滤波天线阵列的输入端满足步骤1中得到的外部品质因数；
步骤5、通过调节介质谐振器1的边长和介电常数，使滤波天线阵列中每个介质谐振器1满足步骤2中得到的辐射品质因数；
步骤6、通过调节矩形耦合缝隙2的尺寸，使得滤波天线阵列中每个介质谐振器1与基片集成波导谐振腔之间的耦合度满足步骤3中得到的耦合系数。
具体实施的设计过程如下：
首先，目标是设计一个通带中心频率为f0＝27.9GHz、具有0.16-dB通带波纹、相对带宽为3.3％的二阶带通滤波器，根据这些性能指标可以计算出滤波器低通原型的集总参数：g0＝1，g1＝0.9693，g2＝0.6595。再根据下列公式(1)和(2)，
可求得理论上该二阶带通滤波器所需的输入端的外部品质因数Qes和输出端的外部品质因素Qed为29.41，两级谐振器之间的耦合系数为K＝0.042。
接着，构建一个具有单个介质谐振器和单个矩形耦合缝隙的初始滤波天线，将该天线中的基片集成波导谐振腔视作二阶带通滤波器的第一级谐振器，单个介质谐振器视作二阶带通滤波器的第二级谐振器，同时起到向外辐射的作用。初始滤波天线的工作原理拓扑图如图3所示。此时，初始滤波天线输入端口的外部品质因数等同于二阶带通滤波器输入端口的外部品质因数Qes，单个介质谐振器的辐射品质因数等同于二阶带通滤波器输出端的外部品质因数Qed，单个介质谐振器和基片集成波导谐振腔之间的耦合系数等同于二阶带通滤波器两级谐振器之间的耦合系数K。
基于上述初始滤波天线，本发明实施例选择n＝4来构建滤波天线阵列，也就是在同一个基片集成波导谐振腔上构建具有4个介质谐振器和4个矩形耦合缝隙的本发明实施例滤波天线阵列，其工作原理拓扑图如图4所示。将该滤波天线阵列的输入功率定义为Ps，输入能量为Was，4个向外辐射的介质谐振器相当于4个输出端口，它们的输出功率定义为PLi(i＝1，2，3，4)，输出能量为Wai(i＝1，2，3，4)，这里存在Ps＝PL1+PL2+PL3+PL4，Was＝Wa1+Wa2+Wa3+Wa4，也可表示为，
对应的功率分配比为P1:P2:P3:P4＝Wa1:Wa2:Wa3:Wa4＝α1:α2:α3:α4。将本发明实施例滤波天线阵列中4个介质谐振器对应的外部品质因数定义为Qedi(i＝1，2，3，4)，则该滤波天线阵列的输入和输出端的外部品质因素可分别用公式(5)和(6)表示，
将公式(3)和(4)代入公式(5)和(6)中，
则可以得到Qed＝Qes＝Qedi(i＝1，2，3，4)＝29.1。将本发明实施例滤波天线阵列中每个介质谐振器各自和基片集成波导谐振腔之间的耦合系数定义为Ki(i＝1，2，3，4)，它们之间的关系可用公式(8)来描述，
由于考虑本发明实施例滤波天线阵列中基片集成波导谐振腔需要实现等功率输出来激励4个介质谐振器，则存在功率分配比α1:α2:α3:α4＝1:1:1:1，因此Ki(i＝1，2，3，4)＝0.5K＝0.021。
根据上述这些理论公式的分析与推导，获得了本发明实施例滤波天线阵列的关键设计参数数值，之后就是调整结构参数来拟合这些关键设计参数。通过调节接地共面波导两侧窄缝隙的长度lg和宽度wg可以控制基片集成波导谐振腔的输入端口的外部品质因数Qes。随着lg和wg增加，Qes将逐渐变小。通过调节第一级基片集成波导谐振腔和介质谐振器之间的耦合缝隙的长度lc和宽度wc，能够控制两级谐振器之间的耦合系数Ki。随着lc和宽度wc增加，Ki将一定程度上变大。通过调节介质谐振器的边长ld和介电常数，可以控制介质谐振器的辐射品质因数Qedi。随着ld的增加，Qedi将逐渐降低，而当介质谐振器的介电常数上升时，Qedi将随之变大。
最终，通过合理优化这些关键参数，并将四个介质谐振器以相邻两个介质谐振器中心间距相等的形式进行排列，实现了本发明实施例滤波天线阵列的最终性能。图5展示了本发明实施例滤波天线阵列的反射系数曲线图，它的-10dB相对带宽为3.3％(27.45-28.38GHz)。图6展示了本发明实施例滤波天线阵列的增益曲线图，从中可以观察到，它具有较为平坦的带内增益，平均增益达到12.5dBi，带外抑制水平为20dB。图7和8分别描述了本发明实施例滤波天线阵列在27.7GHz和28.1GHz谐振频率点处的辐射方向图，在主辐射方向上，主极化值比交叉极化值高了25dB以上。
以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
Claims (4)
1.一种毫米波介质谐振器滤波天线阵列，包括自下而上依次层叠设置的下金属地板(8)、介质基板(7)、上金属地板(5)及介质谐振器(1)，其特征在于，所述上金属地板(5)上表面设置四个正方形介质谐振器(1)；所述四个正方形介质谐振器(1)关于上金属地板(5)的中心线对称阵列设置；所述上金属地板(5)的一侧沿着x轴方向刻蚀出两条宽度相等的窄缝隙(3)；所述上金属地板(5)的中心线上设置金属馈线(4)；所述金属馈线(4)位于两条宽度相等的窄缝隙(3)的中间；所述上金属地板(5)的另一侧刻蚀有四个尺寸相同且相邻中心间距相等的矩形耦合缝隙(2)；所述四个正方形介质谐振器(1)分别与四个相对应的矩形耦合缝隙(2)的垂直投影面的中心相重合；所述介质基板(7)设置金属通孔(6)；所述下金属地板(8)、介质基板(7)、金属通孔(6)及上金属地板(5)形成基片集成波导谐振腔，其工作在TE201模式；所述基片集成波导谐振腔构成天线阵列的滤波功能的第一级谐振器；所述金属馈线(4)、两条宽度相等的窄缝隙(3)与垂直投影在窄缝隙(3)两侧的金属通孔(6)形成接地共面波导；所述四个正方形介质谐振器(1)构成天线阵列的滤波功能的第二级谐振器，同时具有向自由空间辐射能量的作用；天线阵列的能量输入端口位于接地共面波导与介质基板(7)的一侧边缘相交的位置；所述接地共面波导与基片集成波导谐振腔连接，能量输入端口通过接地共面波导将能量馈入基片集成波导谐振腔，使其在TE201模式下工作。
2.根据权利要求1所述的一种毫米波介质谐振器滤波天线阵列，其特征在于，所述基片集成波导谐振腔通过四个相对应的矩形耦合缝隙(2)将能量均匀地分成四等份输出，来激励四个正方形介质谐振器(1)，使其工作在TEy 111模式下。
3.根据权利要求1所述的一种毫米波介质谐振器滤波天线阵列，其特征在于，所述介质基板(7)为双面印刷电路板，采用Rogers RT/Duroid 5880型号板材，其介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。
4.基于权利要求1-3任意一项所述的一种毫米波介质谐振器滤波天线阵列的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、设计一个二阶带通滤波器，根据所需性能指标计算滤波器低通原型的集总参数，再据此计算二阶带通滤波器的输入和输出端的外部品质因数，以及两级谐振器之间的耦合系数；
步骤2、构建一个具有单个介质谐振器(1)和单个矩形耦合缝隙(2)的初始滤波天线，将该天线中的基片集成波导谐振腔视作步骤1中二阶带通滤波器的第一级谐振器，单个介质谐振器(1)视作步骤1中二阶带通滤波器的第二级谐振器，同时起到向外辐射的作用；此时，单个介质谐振器(1)的辐射品质因数等同于二阶带通滤波器输出端的外部品质因数；
步骤3、基于步骤2中的初始滤波天线，在同一个基片集成波导谐振腔上构建具有n个介质谐振器(1)和n个矩形耦合缝隙(2)的滤波天线阵列，每个相邻单元的中心间距相等；进一步根据计算公式推导得，滤波天线阵列中每个介质谐振器(1)的辐射品质因数均与初始滤波天线的辐射品质因数相等，而滤波天线阵列中每个介质谐振器(1)与基片集成波导谐振腔之间的耦合系数是初始滤波天线中两级谐振器之间耦合系数的
步骤4、根据步骤1-3中确定的理论设计参数，通过调整用于激励第一级基片集成波导谐振腔的接地共面波导中两个窄缝隙(3)的长度和宽度，使滤波天线阵列的输入端满足步骤1中得到的外部品质因数；
步骤5、通过调节介质谐振器(1)的边长和介电常数，使滤波天线阵列中每个介质谐振器(1)满足步骤2中得到的辐射品质因数；
步骤6、通过调节矩形耦合缝隙(2)的尺寸，使得滤波天线阵列中每个介质谐振器(1)与基片集成波导谐振腔之间的耦合度满足步骤3中得到的耦合系数。
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