CN115000692B - 一种大频比单馈双频共口径siw缝隙天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种大频比单馈双频共口径SIW缝隙天线，涉及新一代信息技术，针对现有技术中单端馈电结合双频复用的技术空白提出本方案。利用微带缝隙耦合的方式将能量分别输入到高/低频辐射腔中。天线设计时将毫米波辐射腔嵌入到微波辐射腔内部，两者紧密结合使得设计结构紧凑。为了减小高/低频辐射腔之间的信号干扰，提高隔离度，高频辐射腔利用自身谐振特性抑制低频信号的干扰，消除低频天线单元辐射信号的影响，馈电微带线在第二耦合缝隙和第一耦合缝隙之间对应的位置还设置一1/2λ横截线来阻止高频信号进入低频天线辐射单元。通过调节微波/毫米波天线单元的辐射缝隙尺寸可以独立调控微波/毫米波的工作频率而不相互影响。

Description

一种大频比单馈双频共口径SIW缝隙天线
技术领域
本发明涉及双频天线，尤其涉及一种大频比单馈双频共口径SIW缝隙天线。
背景技术
目前，sub6-GHz微波频段的通信技术已经成熟，但随着无线通信业务的快速增长，各种微波技术被用于不同的应用，使得微波频谱越来越拥挤。另一方面，毫米波频段以其丰富的频谱资源，较高的工作频率，更大的系统容量和更快的数据传输速率，引起了人们的广泛关注，但由于毫米波远距离传输损耗较大，波的传输距离较短。从短期看，毫米波技术不能完全取代微波技术。因此，微波毫米波共存技术成为下一代无线通信发展的必然趋势。现有技术中，微波波段和毫米波波段同时工作的双频无线设备在大频比双频设计中，基本采用的是多端口馈电，即每个频段的天线都是采用独立的端口输入能量，但此方式会使得馈电网络变得复杂，从而增大天线的占地面积。
采用单端口馈电输入方式以实现大频比双频辐射特性，天线设计将会面临一个大的挑战，即如何消除两个天线元件之间的相互影响。具体而言，高频天线元件的工作频率可能位于低频天线元件的谐波频率或高阶模式频率附近，从而导致不必要的相互作用。因此实现双频天线的设计变得困难，尤其是在频率比较大的情况下。而现阶段也有少量研究采用单端口馈电的多波段天线设计，主要分为两类，一类是天线没有采用共口径结构复用的设计方式，即天线高低频辐射单元没有结构复用，只是简单的将两个天线单元并排拼接组合，从而导致天线占地面积较大，双频天线辐射单元不能灵活进行独立可调；另一类是天线结构采用了共用口径结构复用方式设计，但高低频结构复用极少，即复用率低，同样也增大了天线的设计的占地面积，同时高低频天线单元间的独立可调性差不灵活。
发明内容
本发明目的在于提供一种大频比单馈双频共口径SIW缝隙天线，以解决上述现有技术存在的问题。
本发明所述一种大频比单馈双频共口径SIW缝隙天线，包括从下至上依次层叠的第一介质基板、下金属层、第二介质基板和上金属层；
所述的第二介质基板内设有第一约束环，第一约束环内的空间为第一频率辐射腔；在第一约束环内设置第二约束环，第二约束环内的空间为第二频率辐射腔；所述的第一约束环上端与上金属层电性连接，下端与下金属层电性连接；所述的第二约束环上端与上金属层电性连接，下端与下金属层电性连接；
所述的上金属层在靠近第二约束环内侧的位置对称设置两第二辐射缝隙，在靠近第一约束环内侧的位置设置若干第一辐射缝隙；
所述的下金属层在第二约束环中央对应的位置设有第二耦合缝隙，在第二约束环和第一约束环之间对应的位置设有第一耦合缝隙；
所述的第一介质基板下端面设有馈电微带线，所述的馈电微带线一端用于外接信号源，另一端沿第一介质基板下端面直线延伸并经过第二耦合缝隙和第一耦合缝隙下方；馈电微带线在第二耦合缝隙和第一耦合缝隙之间对应的位置还设置一1/2λ横截线；
其中，第二频率大于第一频率，λ是第二频率对应波长。
所述的第一约束环由多个垂直延伸的金属过孔围蔽而成，所述的第二约束环由多个垂直延伸的金属过孔围蔽而成；且第一约束环的金属过孔直径大于第二约束环的金属过孔直径。
所述的第一约束环和第二约束环均围成矩形。
所述第一频率的范围在5.18-5.22GHz，所述第二频率的范围在38.4-40.9GHz。
所述的第一耦合缝隙两端外扩，形成I型结构。
所述的第一耦合缝隙与第二耦合缝隙延伸方向形成非零夹角。
所述的第一介质基板还设置一第一匹配金属柱，所述的第一匹配金属柱下端与馈电微带线电性连接，上端依次穿过第一介质基板、下金属层和第二介质基板后与上金属层电性连接。
所述第一匹配金属柱的垂直位置位于第二约束环与第一约束环之间。
所述的第二介质基板在第一约束环和第二约束环之间还左右对称各设有一垂直延伸的第二匹配金属柱，所述的第二匹配金属柱上端与上金属层电性连接，下端与下金属层电性连接。
所述的上金属层在两第二辐射缝隙之间还设置一圆环缝隙。
本发明所述一种大频比单馈双频共口径SIW缝隙天线，其优点在于：
1、采用基片集成波导SIW，结构加工简单，价格低廉。并且基片集成波导在天线设计中具有低损耗、易集成等特点，可以使双频天线同时工作在微波波段和毫米波波段，获得频比大于7的效果，而且还具有高增益，结构紧凑，高性能的优点。本发明设计的天线得到的辐射性能相比之前单端口馈电的大频比双频天线效果要好。
2、微波/毫米波辐射腔以相互嵌套的方式实现了天线的结构复用，使得高频辐射腔作为低频辐射腔的加载，大大提高复用率。不仅可以减小天线的占地面积，减小系统的尺寸，降低加工成本，而且还可以扩大低频辐射腔的辐射口径，让低频辐射腔在高阶模式下辐射，进而提高低频天线辐射单元的增益。
3、高频辐射腔巧妙利用自身谐振特性(低频信号无法被激励)自然地抑制低频信号的干扰。1/2λ横截线可以消除高频信号对低频辐射腔的干扰，隔离效果较好。两个频带的辐射腔结构可以独立设计，相互不影响，即改变其中一天线单元的辐射结构，不会影响另外天线的辐射特性，可以实现双频天线灵活独立可调。
4、低频频段测试的反射系数S11在5.18-5.22GHz频带内小于-10dB；在38.4-40.9GHz频带内小于-10dB。低频辐射增益可以达到8.98dB，高频辐射可以达到10.19dB。
附图说明
图1是本发明所述一种大频比单馈双频共口径SIW缝隙天线的结构爆炸图。
图2是本发明所述一种大频比单馈双频共口径SIW缝隙天线的俯视图。
图3是图2所示结构隐去上金属层且令第二介质基板介质透明化后的结构示意图。
图4是本发明所述一种大频比单馈双频共口径SIW缝隙天线的反射系数曲线图。
图5是本发明所述一种大频比单馈双频共口径SIW缝隙天线的增益系数曲线图。
图6是本发明所述一种大频比单馈双频共口径SIW缝隙天线工作在5.2GHz增益的E面方向图。
图7是本发明所述一种大频比单馈双频共口径SIW缝隙天线工作在5.2GHz增益的H面方向图。
图8是本发明所述一种大频比单馈双频共口径SIW缝隙天线工作在40GHz增益的E面方向图。
图9是本发明所述一种大频比单馈双频共口径SIW缝隙天线工作在40GHz增益的H面方向图。
附图标记：
10-第一介质基板、11-馈电微带线、12-第一匹配金属柱、13-1/2λ横截线；
20-下金属层、21-第二耦合缝隙、22-第一耦合缝隙；
30第二介质基板、31-第一约束环、32-第一频率辐射腔、33-第二约束环、34-第二频率辐射腔、35-第二匹配金属柱；
40-上金属层、41-第一辐射缝隙、42-第二辐射缝隙、43-圆环缝隙。
具体实施方式
本发明所述一种大频比单馈双频共口径SIW缝隙天线采用单端口馈电输入方式，利用微带缝隙耦合的方式将能量分别输入到高/低频辐射腔中。其中高频对应毫米波频带，至少可以工作在38.4-40.9GHz；低频对应微波频带，至少可以工作在5.18-5.22GHz。为了能复用共用口径，减小天线的占地面积，天线设计时将毫米波辐射腔嵌入到微波辐射腔内部，两者紧密结合使得设计结构紧凑，提高了天线的复用率。为了减小高/低频辐射腔之间的信号干扰，提高隔离度，高频辐射腔利用自身具有的谐振特性(低频信号无法被激励)，可以自然有效的阻隔低频信号的干扰。而低频辐射腔为抑制高频信号的干扰，则是在馈电微带线上添加1/2λ横截线以实现高频滤波功能，这样微波天线可以将毫米波腔体的信号进行隔离。微波和毫米波信号可以在不相互影响的情况下传输到相应天线元件，从而确保天线在两个波段都具有良好的辐射性能。在此基础上实现单馈大频比天线的双频独立可调，即高低频天线辐射缝隙可以根据需要进行独立设计，两者间的辐射性能不受另外单元辐射缝隙设计的影响，灵活度高。本发明天线具有馈电方式简单，频率比大且可以覆盖微波毫米双波段的特点，同时具有高增益，高隔离度，灵活可调的特性。能适用于5G微波毫米波双频天线设计中。
具体实施结构如图1至图3所示，包括从下至上依次层叠的第一介质基板10、下金属层20、第二介质基板30和上金属层40。
所述的第二介质基板30内设有第一约束环31，第一约束环31内的空间为第一频率辐射腔32。在第一约束环31内设置第二约束环33，第二约束环33内的空间为第二频率辐射腔34。所述的第一约束环31上端与上金属层40电性连接，下端与下金属层20电性连接。所述的第二约束环33上端与上金属层40电性连接，下端与下金属层20电性连接。所述的第一约束环31由多个垂直延伸的金属过孔围蔽而成，所述的第二约束环33由多个垂直延伸的金属过孔围蔽而成。且第一约束环31的金属过孔直径大于第二约束环33的金属过孔直径。所述的第一约束环31和第二约束环33均围成矩形。所述的第二介质基板30在第一约束环31和第二约束环33之间还设有一垂直延伸的第二匹配金属柱35，所述的第二匹配金属柱35上端与上金属层40电性连接，下端与下金属层20电性连接。
所述的上金属层40在靠近第二约束环33内侧的位置对称设置两圆弧状的第二辐射缝隙42，在靠近第一约束环31内侧的位置对称设置4个矩形的第一辐射缝隙41。所述的上金属层40在两第二辐射缝隙42之间还设置一圆环缝隙43。
所述的下金属层20在第二约束环33中央对应的位置设有第二耦合缝隙21，在第二约束环33和第一约束环31之间对应的位置设有第一耦合缝隙22。所述的第一耦合缝隙22与第二耦合缝隙21延伸方向形成非零夹角。所述的第一耦合缝隙22两端外扩，形成I型结构。
所述的第一介质基板10下端面设有馈电微带线11，所述的馈电微带线11一端用于外接信号源，另一端沿第一介质基板10下端面直线延伸并经过第二耦合缝隙21和第一耦合缝隙22下方。馈电微带线11在第二耦合缝隙21和第一耦合缝隙22之间对应的位置还设置一1/2λ横截线13。所述的第一介质基板10还设置一第一匹配金属柱12，所述的第一匹配金属柱12下端与馈电微带线11电性连接，上端依次穿过第一介质基板10、下金属层20和第二介质基板30后与上金属层40电性连接。所述第一匹配金属柱12的垂直位置位于第二约束环33与第一约束环31之间。
其中，第二频率是毫米波频率，测试范围在38.4-40.9GHz；第一频率是微波频率范围在5.18-5.22GHz，λ是毫米波频率对应波长。
本发明所述一种大频比单馈双频共口径SIW缝隙天线工作原理如下：所述圆环缝隙43在高频辐射中即起到调节匹配作用，也参与毫米波辐射。所述两个圆弧状的第二辐射缝隙42也用于毫米波辐射，第二辐射缝隙42的弧长可以用来调节高频辐射频率的范围。因为两圆弧是对称的，因此增益相对会提高。同时，若调节第二辐射缝隙42的半径，则会影响高频辐射方向图副瓣的大小。高/低频辐射均采用微带缝隙耦合馈电结构，馈电微带线11的能量通过第二耦合缝隙21及第一耦合缝隙22分别耦合至第二频率辐射腔34、第一频率辐射腔32中。
基片集成波导成周期的金属通孔，其半径及金属通孔间的距离决定了束缚电磁场的泄漏大小。在设计天线时候本领域技术人员可以根据实际需要选择合适的尺寸，成周期的金属通孔所围成的腔体大小决定腔体最小的谐振频率。高频天线谐振腔体作为低频天线谐振腔的一部分加载内容，可以增大辐射口径，使天线工作在高阶辐射模式，从而提高增益。
对本发明所述一种大频比单馈双频共口径SIW缝隙天线进行仿真和测试，结果如图4至图9所示。可以看出测试反射系数S11小于-10dB的带宽，高频天线辐射单元可以覆盖5.18-5.22GHz和38.4-40.9GHz，高低频的频率比大于7。低频天线辐射在匹配频段范围内测试的最大增益为8.98dBi，高频天线辐射的测试最大增益则为10.19dBi。高/低频天线辐射均具有较低的交叉极化和较低的辐射旁瓣，辐射性能好。其中，X-plo是交叉极化，co-plo是主极化。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大频比单馈双频共口径SIW缝隙天线，其特征在于，包括从下至上依次层叠的第一介质基板(10)、下金属层(20)、第二介质基板(30)和上金属层(40)；
所述的第二介质基板(30)内设有第一约束环(31)，第一约束环(31)内的空间为第一频率辐射腔(32)；在第一约束环(31)内设置第二约束环(33)，第二约束环(33)内的空间为第二频率辐射腔(34)；所述的第一约束环(31)上端与上金属层(40)电性连接，下端与下金属层(20)电性连接；所述的第二约束环(33)上端与上金属层(40)电性连接，下端与下金属层(20)电性连接；
所述的上金属层(40)在靠近第二约束环(33)内侧的位置对称设置两第二辐射缝隙(42)，在靠近第一约束环(31)内侧的位置设置若干第一辐射缝隙(41)；
所述的下金属层(20)在第二约束环(33)中央对应的位置设有第二耦合缝隙(21)，在第二约束环(33)和第一约束环(31)之间对应的位置设有第一耦合缝隙(22)；
所述的第一介质基板(10)下端面设有馈电微带线(11)，所述的馈电微带线(11)一端用于外接信号源，另一端沿第一介质基板(10)下端面直线延伸并经过第二耦合缝隙(21)和第一耦合缝隙(22)下方；馈电微带线(11)在第二耦合缝隙(21)和第一耦合缝隙(22)之间对应的位置还设置一1/2λ横截线(13)；
其中，第二频率大于第一频率，λ是第二频率对应波长。
2.根据权利要求1所述一种大频比单馈双频共口径SIW缝隙天线，其特征在于，所述的第一约束环(31)由多个垂直延伸的金属过孔围蔽而成，所述的第二约束环(33)由多个垂直延伸的金属过孔围蔽而成；且第一约束环(31)的金属过孔直径大于第二约束环(33)的金属过孔直径。
3.根据权利要求2所述一种大频比单馈双频共口径SIW缝隙天线，其特征在于，所述的第一约束环(31)和第二约束环(33)均围成矩形。
4.根据权利要求1所述一种大频比单馈双频共口径SIW缝隙天线，其特征在于，所述第一频率的测试范围在5.18-5.22GHz，所述第二频率的范围在38.4-40.9GHz。
5.根据权利要求1所述一种大频比单馈双频共口径SIW缝隙天线，其特征在于，所述的第一耦合缝隙(22)两端外扩，形成I型结构。
6.根据权利要求1所述一种大频比单馈双频共口径SIW缝隙天线，其特征在于，所述的第一耦合缝隙(22)与第二耦合缝隙(21)延伸方向形成非零夹角。
7.根据权利要求1所述一种大频比单馈双频共口径SIW缝隙天线，其特征在于，所述的第一介质基板(10)还设置一第一匹配金属柱(12)，所述的第一匹配金属柱(12)下端与馈电微带线(11)电性连接，上端依次穿过第一介质基板(10)、下金属层(20)和第二介质基板(30)后与上金属层(40)电性连接。
8.根据权利要求7所述一种大频比单馈双频共口径SIW缝隙天线，其特征在于，所述第一匹配金属柱(12)的垂直位置位于第二约束环(33)与第一约束环(31)之间。
9.根据权利要求1所述一种大频比单馈双频共口径SIW缝隙天线，其特征在于，所述的第二介质基板(30)在第一约束环(31)和第二约束环(33)之间还设有一垂直延伸的第二匹配金属柱(35)，所述的第二匹配金属柱(35)上端与上金属层(40)电性连接，下端与下金属层(20)电性连接。
10.根据权利要求1所述一种大频比单馈双频共口径SIW缝隙天线，其特征在于，所述的上金属层(40)在两第二辐射缝隙(42)之间还设置一圆环缝隙(43)。
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