CN115395251B - 基于混合馈电网络的圆极化集成滤波天线阵列 - Google Patents

基于混合馈电网络的圆极化集成滤波天线阵列 Download PDF

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Abstract

一种基于混合馈电网络的圆极化集成滤波天线阵列，包括：叠层贴片辐射单元、带状线结构的1分32馈电网络、空气填充集成GWG结构的1分16馈电网络、带状线到空气填充集成GWG转接结构、空气填充集成GWG到SIW转接结构以及SIW带通滤波器。将多种器件进行集成，布局紧凑，满足了毫米波通信大规模高效率收发天线阵列需求。本发明辐射阵面由叠层贴片辐射单元构成，馈电网络采用混合形式：较小范围子阵采用带状线馈电网络激励，基于二级顺序旋转实现良好的宽带圆极化特性；跨度较大、传输距离较长的部分采用适用于LTCC工艺的空气填充集成GWG馈电网络，大幅提升集成滤波天线阵列的效率；采用SIW带通滤波器集成在馈电网络中，获得了较好的边带选择和带外抑制特性。同时提出集成滤波的实现方式，将天线阵列的滤波目标分解到各个部分并通过各部分的频率响应综合得到天线阵列的整体滤波特性，有效避免了采用单一器件进行滤波的局限性。

Description

基于混合馈电网络的圆极化集成滤波天线阵列
技术领域
本发明涉及的是一种卫星天线领域的技术，具体是一种基于混合馈电网络的大规模高效率圆极化集成滤波天线阵列。
背景技术
现有馈电网络常采用平面传输线形式，如带状线、微带线等。虽然平面传输线布局布线灵活，但在工作频段较高或阵列规模较大、传输线电长度较长时，平面传输线馈电网络损耗大，融合滤波特性后因其品质因素较低而使插入损耗进一步增加，导致集成滤波天线阵列整体效率很低。另一类馈电网络为波导形式，如矩形波导、间隙波导(GWG)等，其集成形式分别为基片集成波导(SIW)和集成间隙波导，它们构成的馈电网络损耗比平面传输线网络低，从而保证了天线阵列的效率。但集成波导构成的馈电网络受其结构尺寸和高次模式的影响，难以在较宽频带内产生稳定的幅度和相位分布，波导结构馈电网络和天线阵列不易达到集成滤波天线阵列的宽带圆极化特性要求。
发明内容
本发明针对现有技术馈电网络占用尺寸过大，难以进行大规模的组阵并且难以在高频的实现良好的带外抑制的缺陷，提出一种基于混合馈电网络的圆极化集成滤波天线阵列，辐射阵面由叠层贴片辐射单元构成，馈电网络采用混合形式：较小范围子阵采用带状线馈电网络激励，基于二级顺序旋转实现良好的宽带圆极化特性；跨度较大、传输距离较长的部分采用适用于LTCC工艺的空气填充集成GWG馈电网络，大幅提升集成滤波天线阵列的效率；采用SIW带通滤波器集成在馈电网络中，获得了较好的边带选择和带外抑制特性。在集成滤波天线阵列设计中，叠层贴片辐射单元、空气填充集成GWG馈电网络、SIW带通滤波器、GWG到带状线的转接结构均对阵列的滤波响应具有贡献，通过目标滤波响应的分解与合成方法，使所述的集成滤波天线阵列实现了满足要求的良好滤波功能。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于混合馈电网络的圆极化集成滤波天线阵列，包括：叠层贴片辐射单元、带状线结构的1分32馈电网络、空气填充集成GWG结构的1分16馈电网络、带状线到空气填充集成GWG转接结构、空气填充集成GWG到SIW转接结构以及SIW带通滤波器，其中：叠层贴片辐射单元位于集成滤波天线阵列的顶部，并由叠层贴片辐射单元下方的带状线结构的1分32馈电网络进行正交激励从而实现圆极化工作；带状线结构的1分32馈电网络通过带状线到空气填充集成GWG转接结构与带状线结构的1分32馈电网络下方的空气填充集成GWG结构的1分16馈电网络连通；空气填充集成GWG结构的1分16馈电网络通过空气填充集成GWG到SIW转接结构与SIW带通滤波器连通；SIW带通滤波器位于集成滤波天线阵列的底部。
所述的叠层贴片辐射单元共有256个，呈16×16网格排列，每个叠层贴片辐射单元，包括：自上而下依次设置的上层贴片、第一介质层、下层贴片、第二介质层和第一金属地平面，其中：位于第二介质层中的两个馈电通孔对下层贴片进行馈电，下层贴片与上层贴片之间有电磁耦合。
所述的上层贴片为正方形，中心处设有上层十字槽用以增加天线设计自由度。
所述的下层贴片为正方形，中心处设有下层十字槽用以增加天线设计自由度。
所述的带状线结构的1分32馈电网络共有16个，呈4×4网格排列，每个带状线结构的1分32馈电网络均为带状线结构构成的二级顺序旋转馈电网络，包括：自上而下依次设置的第三介质层、作为第一级的1分4功分馈网、第四介质层、第二金属地平面、第五介质层、作为第二级的1分8功分馈网、第六介质层和第三金属地平面，其中：1分4功分馈网与1分8功分馈网通过位于第四和第五介质层中的连接通孔进行连通，1分8功分馈网输出的8个端口分为4对等幅正交端口，每对的2个端口输出0°/90°等幅正交信号，与叠层贴片辐射单元的馈电通孔连接。
所述的空气填充集成GWG结构的1分16馈电网络用于激励整个圆极化集成滤波天线阵列，包括：由上而下依次设置的第七介质层、正方形金属贴片、第八介质层和第四金属地平面，其中：正方形金属贴片呈周期性排布，用于围成空气填充集成GWG结构和凸出匹配结构；第七介质层中设有正对正方形金属贴片中心位置的接地通孔。
所述的空气填充是指：通过将周期排布的正方形金属贴片围成的区域中的介质挖去，构成空气腔，从而显著降低空气填充集成GWG结构的介质损耗，空气腔的横向边界面，即分界面左侧为正方形金属贴片和接地通孔部分，其输入导纳为
Figure BDA0003875300070000021
分界面右侧为空气腔部分，其输入导纳为
Figure BDA0003875300070000022
在主模截止频率处产生横向谐振，分界面两侧视入的输入导纳之和为0，即满足横向谐振方程：
Figure BDA0003875300070000023
其中：接地通孔产生等效电感L1，正方形金属贴片与第四金属地平面之间产生等效电容C1，第四金属地平面与第三金属地平面之间的距离为d，空气腔的横向宽度为Wa，正方形金属贴片的排布周期为p，空气的本征阻抗为η0，空气中光速为c0。
所述的空气填充集成GWG结构，为使其传输损耗降低并满足集成阵列小型化的要求，整体宽度为
Figure BDA0003875300070000031
其中：λ0为中心频率所对应的波长。
所述的SIW带通滤波器，包括：五个相互耦合的SIW谐振腔和梯形渐变接地共面波导，具有小型化和低插损特性，并获得较好的边带选择和带外抑制特性。
所述的带状线到空气填充集成GWG转接结构，采用叉形结构、第一阻抗变换线、第二阻抗变换线和地面开槽结构，具有准带通特性。
所述的空气填充集成GWG到SIW转接结构，为一段宽度指数渐变的介质过渡结构。
所述的集成滤波是指：叠层贴片辐射单元、SIW带通滤波器具有带通特性，空气填充集成GWG结构的1分16馈电网络具有准高通特性，带状线到空气填充集成GWG转接结构具有准带通特性。集成滤波天线阵列的边带频率选择和带外抑制特性为其叠加效果。通过目标响应分解以有效避免单一器件滤波的局限性，具体包括：
当f<f1-0.79BW时，整体响应的低频带外抑制由叠层贴片辐射单元、空气填充集成GWG结构的1分16馈电网络、SIW带通滤波器共同贡献；
当f1-0.79BW<f<f1-0.4BW时，整体响应的低频带外抑制由叠层贴片辐射单元和SIW带通滤波器贡献；
当f1-0.4BW<f<f1时，整体响应的低频带外抑制由叠层贴片辐射单元、SIW带通滤波器和带状线到空气填充集成GWG转接结构贡献；
当f2<f<f2+0.3BW时，整体响应的高频带外抑制由叠层贴片辐射单元、SIW带通滤波器、带状线到空气填充集成GWG转接结构贡献；
当f>f2+0.3BW时，整体响应的高频带外抑制由空气填充集成GWG结构的1分16馈电网络、SIW带通滤波器、带状线到空气填充集成GWG转接结构贡献；
其中：f为工作频率，f1为集成滤波天线阵列的下截止频率，f2为集成滤波天线阵列的上截止频率，BW为集成滤波天线阵列的工作带宽。
技术效果
本发明将中心十字开槽的叠层贴片辐射单元阵列与带状线结构的馈电网络、空气填充集成GWG结构馈电网络、SIW带通滤波器及其转接结构构成的混合馈电网络集成为同一个滤波天线阵列并协同设计。多种结构混合的馈电网络克服了传统单一形式馈电网络的性能和功能缺陷，相比于现有滤波天线阵列，实现了高达256阵元的大规模阵列一体化集成，同时具有较宽的轴比带宽、更高的辐射效率和良好的滤波特性。特别地，提出空气填充集成GWG结构用于较大尺寸范围的馈电网络，在大规模阵列中实现了较低的馈电损耗。同时，在滤波特性综合方面，相对于目前传统技术所采用的单一滤波器来实现整体滤波目标，本发明采用的滤波特性分解及合成方法，实现了整体集成滤波天线阵列良好的频率选择性，有效避免了采用单一器件进行滤波的局限性。
附图说明
图1为本发明整体结构的三维结构；
图2为叠层贴片辐射单元结构；
图3为带状线结构的1分32馈电网络结构；
图4为空气填充集成GWG结构的1分16馈电网络示意图；
图中：(a)为空气填充集成GWG结构的横截面；(b)为空气填充集成GWG结构的1分16馈电网络结构；
图5为空气填充集成GWG结构的横向等效电路；
图6为空气填充集成GWG结构的宽度与插入损耗之间的关系；
图7为空气填充集成GWG结构的主模截止频率与空气腔的横向宽度的关系；
图中：空气填充集成GWG结构的主模截止频率fc随空气腔的横向宽度Wa变化的全波电磁仿真结果如实线所示，由横向谐振方程得到的计算结果如虚线所示；
图8为带状线到空气填充集成GWG转接结构；
图9为SIW带通滤波器的耦合拓扑结构；
图10为SIW带通滤波器及空气填充集成GWG到SIW转接结构；
图11为滤波目标响应分解与合成示意图；
图12为本发明实施例的反射系数和增益频率响应；
图13为本发明实施例的轴比和辐射效率频率响应；
图14为本发明实施例典型频点的增益方向图；
图中：(a)为23GHz的增益方向图；(b)为25.2GHz的增益方向图；(c)为27.5GHz的增益方向图；叠层贴片辐射单元1、带状线结构的1分32馈电网络2、空气填充集成GWG结构的1分16馈电网络3、SIW带通滤波器4、带状线到空气填充集成GWG转接结构5、空气填充集成GWG到SIW转接结构6、上层贴片7、第一介质层8、下层贴片9、第二介质层10、第一金属地平面11、上层十字槽12、下层十字槽13、馈电通孔14、第三介质层15、1分8馈电网络16、第四介质层17、第二金属地平面18、第五介质层19、1分4馈电网络20、连接通孔21、第六介质层22、第三金属地平面23、等幅正交端口24、25、第七介质层26、正方形金属贴片27、第八介质层28、第四金属地平面29、接地通孔30、空气填充集成GWG结构31、空气腔32、凸出匹配结构33、第一谐振腔34、第二谐振腔35、第三谐振腔36、第四谐振腔37、第五谐振腔38、梯形渐变接地共面波导39、叉形结构40、地面开槽结构41、第一阻抗变换线42、第二阻抗变换线43。
具体实施方式
如图1所示，本实施例涉及一种工作于22.7～28GHz频段的16×16单元的基于混合馈电网络的圆极化集成滤波天线阵列，为多层堆叠结构并采用低温共烧陶瓷(LTCC)工艺制备得到，包括：16×16个叠层贴片辐射单元1、4×4个带状线结构1分32馈电网络2、空气填充集成GWG结构的1分16馈电网络3、SIW带通滤波器4、16个带状线到空气填充集成GWG转接结构5和空气填充集成GWG到SIW转接结构6，其中：叠层贴片辐射单元1位于集成滤波天线阵列的顶部，并由其下方的带状线结构的1分32馈电网络2进行正交激励从而实现圆极化工作；带状线结构的1分32馈电网络2通过带状线到空气填充集成GWG转接结构5与其下方的空气填充集成GWG结构的1分16馈电网络3连通；空气填充集成GWG结构的1分16馈电网络3通过空气填充集成GWG到SIW转接结构6与SIW带通滤波器4连通；SIW带通滤波器4位于集成滤波天线阵列的底部。
所述的基于混合馈电网络的圆极化集成滤波天线阵列，采用22层面积为114.6mm×115.3mm的LTCC Ferro A6瓷带叠压制备为一体化集成的整体，每层瓷带厚度为96μm，Ferro A6的相对介电常数为5.76，损耗角正切为0.002，印刷的金属厚度为10μm。
如图2所示，所述的叠层贴片辐射单元1包括：自上而下依次设置的上层贴片7、第一介质层8、下层贴片9、第二介质层10、第一金属地平面11，其中：位于第二介质层10中的两个馈电通孔14对下层贴片9进行馈电，下层贴片9与上层贴片7之间有电磁耦合。
所述的上层贴片7为正方形，中心处设有上层十字槽12用以增加天线设计自由度。上层贴片7的边长L1为1.7mm，上层十字槽34宽Ws为0.1mm，槽长Ls1为0.88mm。
所述的第一介质层8为8层LTCC瓷带，厚度为768μm。
所述的下层贴片9为正方形，中心处设有下层十字槽13用以增加天线设计自由度。下层贴片9的边长L2为2.2mm，下层十字槽13宽Ws为0.1mm，槽长Ls2为0.34mm。
所述的第二介质层10为2层LTCC瓷带，厚度为192μm。
如图3所示，所述的带状线结构的1分32馈电网络2包括：自上而下依次设置的第三介质层15、位于中心的作为第一级的1分4功分馈网20、第四介质层17、第二金属地平面18、第五介质层19、四个通过连接通孔21与之相连的作为第二级的1分8功分馈网16，其中：1分4功分馈网20和1分8功分馈网16均为顺序旋转结构，1分8功分馈网16包含有4对等幅正交端口24、25，通过馈电通孔14与叠层贴片辐射单元1的下层贴片9连通。
所述的第一级的1分4功分馈网20通过两段蜿蜒线Lp2和Lp3调节输出相位，Lp2为1.4mm，Lp3为0.8mm；所述的1分8功分馈网13通过两段蜿蜒线Lp1和Lp4调节输出相位，Lp1为1.55mm，Lp4为0.9mm。第三介质层15、第四介质层17、第五介质层19、第六介质层22均为2层LTCC瓷带，厚度为192μm。
如图4所示，所述的空气填充集成GWG结构的1分16馈电网络3为由空气填充集成GWG结构31构成的1分16的功分网络，包括：由上而下依次设置的第七介质层26、正方形金属贴片27、第八介质层28、第四金属地平面29，其中：正方形金属贴片27呈周期性排布，用于围成空气填充集成GWG结构31和凸出匹配结构33；第七介质层中设有接地通孔30，正对正方形金属贴片27的中心位置。将正方形金属贴片27包围区域中的介质挖去，使其完全由空气填充，形成空气腔32，空气的本征阻抗η0为377Ω。
所述的正方形金属贴片27面积为0.9mm×0.9mm，间距为0.1mm，排布周期p为1mm。所述的接地通孔30正对正方形金属贴片27的中心位置。所述的空气腔32的横向宽度Wa为7.9mm。所述的凸出匹配结构33的长度Lg1为4.55mm，Lg2为4.35mm，Lg3为4.6mm，Lg4为4.4mm。第三金属地平面23和第四金属地平面29之间的距离d为0.384mm。
如图5所示，空气填充集成GWG结构31的等效电路中的正方形金属贴片27与第四金属地平面29之间的等效电容C1在本实施例中为0.58pF，接地通孔30的等效电感L1为0.4nH。
如图6所示，为空气填充集成GWG结构31的宽度与插入损耗之间的关系。空气填充集成GWG结构31的宽度决定其主模截止频率，进而影响工作频段内的插入损耗和相位常数。本实施例中，当Wa>0.42λ0时，空气填充集成GWG结构31导通，其中λ0为工作波长。
如图7所示，为空气填充集成GWG结构31主模截止频率fc与空气腔32的横向宽度Wa的关系。实线为全波仿真结果，虚线为依据横向谐振方程计算得到的结果，两者十分吻合。当Wa从5mm增加到10mm时，fc从24GHz下降到13.6GHz，表明空气腔32的横向宽度Wa对主模截止频率有明显的调节作用，可用于设计优化空气填充集成GWG结构31的插入损耗和相位常数。
如图8所示，带状线到空气填充集成GWG转接结构5包括：叉形结构40、地面开槽结构41、第一阻抗变换线42和第二阻抗变换线43，其中：地面开槽结构41位于空气填充集成GWG结构31上方的第三金属地平面21上，叉形结构40位于地面开槽结构41正上方位置，第一、第二阻抗变换线42、43依次位于叉形结构40的后端位置。地面开槽结构41尽量靠近空气填充集成GWG结构38的末端磁场最强处。叉形结构40会额外引入一个谐振点，拓展了带状线到空气填充集成GWG转接结构的工作带宽。
所述的地面开槽结构41的长度La为5.8mm，宽度Wp为0.3mm，地面开槽结构41与空气填充集成GWG结构31末端的距离dp为0.6mm。所述的叉形结构40的线宽Wc为0.1mm，叉形宽度Wf为1.95mm，长度Lf为1.15mm。所述的第一阻抗变换线42的宽度Wt1为1.1mm，长度Lt1为0.68mm。所述的第二阻抗变换线43的宽度Wt2为0.5mm，长度Lt2为1.6mm。
如图10所示，所述的SIW带通滤波器4包括：第一至第五谐振腔34-38和作为源端的梯形渐变接地共面波导39，其中：第一谐振腔34、第二谐振腔35、第五谐振腔38、梯形渐变接地共面波导39与空气填充集成GWG结构的1分16馈电网络3位于同一层，第三谐振腔36、第四谐振腔37与带状线结构的1分32馈电网络2的1分4功分馈网20位于同一层,同层谐振腔之间通过感性窗进行耦合，不同层谐振腔之间通过靠近谐振腔两侧边缘的窄槽或位于谐振腔中心的圆孔进行耦合。
如图9所示，为所述的SIW带通滤波器4的耦合拓扑结构，包括：五个谐振节点1～5和源端节点S和负载端节点L，其中：五个谐振节点依次对应第一至第五谐振腔34-38，源端节点S对应梯形渐变接地共面波导39，负载端节点L等效为空气填充集成GWG到SIW转接结构6及空气填充集成GWG结构的1分16馈电网络3的输入阻抗特性。
所述的耦合拓扑结构的第一至第四谐振节点之间依次为磁耦合，第四和第五谐振节点之间为电耦合，第五和负载端节点L之间为磁耦合，第二和第五谐振节点之间为磁耦合。
本实施例中通过引入交叉耦合，在SIW带通滤波器的上、下边带各产生一个传输零点，从而提高边带频率选择和带外抑制效果。
所述的第一至第五谐振腔具有相同的宽度Wh＝3.88mm。第三、第四谐振腔36、37的长度Lh1为2.42mm，Lh2为3.68mm。第三谐振腔36和第四谐振腔37之间的感性窗宽度N1为2.1mm。第一、第二和第五谐振腔34、35、38的长度Lh3为3.85mm，Lh4为2.3mm，Lh5为3.59mm，它们及负载端之间的感性窗宽度依次为N2＝2.2mm，N3＝1.45mm，N4＝2.4mm。第二谐振腔35和第三谐振腔36之间的窄槽宽度Wm为0.52mm，长度Lm为1.71mm。第五谐振腔38和第四谐振腔37之间的圆孔半径Rm为0.83mm。
所述的梯形渐变接地共面波导39的长度Lin为1.43mm，同时作为整个集成滤波天线阵列的公共馈电端。
如图10所示，所述的空气填充集成GWG到SIW转接结构6位于SIW带通滤波器4的第五谐振腔31与空气填充集成GWG结构的1分16馈电网络3之间，为一段宽度指数渐变的介质过渡结构，长度z为1.55mm。
如图11所示，所述的集成滤波是指：天线阵列的滤波目标分解到各个部分并通过各部分的频率响应综合得到天线阵列的整体滤波特性。将叠层贴片辐射单元1、空气填充集成GWG结构的1分16馈电网络3、SIW带通滤波器4和带状线到空气填充集成GWG转接结构5的归一化响应进行合成。利用ANSYS HFSS全波电磁仿真软件，建立各部分的三维模型，并将其按照实际物理关系进行连接，依据仿真结果得到图11的归一化频率响应。叠层贴片辐射单元1、SIW带通滤波器4具有带通特性，空气填充集成GWG结构的1分16馈电网络3具有准高通特性，带状线到空气填充集成GWG转接结构5具有准带通特性。集成滤波天线阵列的边带频率选择和带外抑制特性为其叠加效果，其中：集成滤波天线阵列工作频带的下截止频率为22.7GHz，上截止频率为28GHz，带宽为5.3GHz。当f<18.5GHz时，整体响应的低频带外抑制由叠层贴片辐射单元1、空气填充集成GWG结构的1分16馈电网络3、SIW带通滤波器4共同贡献；当18.5GHz<f<20.6GHz时，整体响应的低频带外抑制由叠层贴片辐射单元1和SIW带通滤波器4主要贡献；当20.6GHz<f<22.7GHz时，整体响应的低频带外抑制由叠层贴片辐射单元1、SIW带通滤波器4和带状线到空气填充集成GWG转接结构5主要贡献；当28GHz<f<29.6GHz时，整体响应的高频带外抑制由叠层贴片辐射单元1、SIW带通滤波器4、带状线到空气填充集成GWG转接结构5主要贡献；当f>29.6GHz时，整体响应的高频带外抑制由空气填充集成GWG结构的1分16馈电网络3、SIW带通滤波器4、带状线到空气填充集成GWG转接结构5主要贡献。
如图12所示，为本实施例涉及的基于混合馈电网络的圆极化集成滤波天线阵列的反射系数和增益的频率响应。22.7～28GHz频带内的反射系数小于-10dB，阻抗带宽为20.9％。通带内的最大增益为26.1dBi。频率低于21.7GHz的抑制度大于30dB，频率高于29GHz的抑制度大于25dB。
如图13所示，为本实施例涉及的基于混合馈电网络的圆极化集成滤波天线阵列的轴比和辐射效率曲线。21.9-27.8GHz频带内的轴比小于3dB，轴比带宽为23.7％。在23～27.5GHz频带内，轴比不高于2.4dB，辐射效率不低于44％。
如图14所示，为本实施例涉及的基于混合馈电网络的圆极化集成滤波天线阵列的典型频点辐射方向图。23GHz的增益方向图如图14(a)所示，增益为23.2dBi，3dB波束宽度为6.3°，主波束内交叉极化抑制为22dB。25.2GHz的增益方向图如图14(b)所示，增益为25.6dBi，3dB波束宽度为5.8°，主波束内交叉极化抑制为33.6dB。27.5GHz的增益方向图如图14(c)所示，增益为25.5dBi，3dB波束宽度为5.3°，主波束内交叉极化抑制为31.5dB。
与现有技术相比，本发明阵列规模更大，通过采用混合馈电网络结构配合叠层贴片辐射单元，实现了天线阵列的-10dB阻抗带宽达到20.9％，3dB轴比带宽达到23.7％，在23～27.5GHz频带内具有不低于44％的辐射效率。通过一体化集成SIW带通滤波器，实现了较高的边带频率选择性和带外抑制度。
与现有技术相比，本发明采用空气填充集成GWG结构构成的馈电网络在大规模阵列中实现了较低的馈电损耗，适合毫米波通信大规模高效率收发天线阵列需求；并使用布局紧凑灵活的带状线结构构成的馈电网络形成子阵的二级顺序旋转结构，与空气填充集成GWG结构馈电网络进行宽带低损耗过渡转接。混合结构滤波馈电网络克服了传统单一形式馈电网络的性能和功能缺陷，可将集成滤波天线阵列的目标响应分解到各子结构上，整体实现良好的频率选择性与带外抑制。
综上所述，本发明相比于现有滤波天线阵列技术，实现了多达256阵元的大规模阵列一体化集成，同时具有较宽的轴比带宽、较高的辐射效率和良好的滤波特性。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (9)

1.一种基于混合馈电网络的圆极化集成滤波天线阵列，其特征在于，包括：叠层贴片辐射单元、带状线结构的1分32馈电网络、空气填充集成GWG结构的1分16馈电网络、带状线到空气填充集成GWG转接结构、空气填充集成GWG到SIW转接结构以及SIW带通滤波器，其中：叠层贴片辐射单元位于集成滤波天线阵列的顶部，并由叠层贴片辐射单元下方的带状线结构的1分32馈电网络进行正交激励从而实现圆极化工作；带状线结构的1分32馈电网络通过带状线到空气填充集成GWG转接结构与带状线结构的1分32馈电网络下方的空气填充集成GWG结构的1分16馈电网络连通；空气填充集成GWG结构的1分16馈电网络通过空气填充集成GWG到SIW转接结构与SIW带通滤波器连通；SIW带通滤波器位于集成滤波天线阵列的底部；
所述的集成滤波是指：叠层贴片辐射单元、SIW带通滤波器具有带通特性，空气填充集成GWG结构的1分16馈电网络具有准高通特性，带状线到空气填充集成GWG转接结构具有准带通特性，并将天线阵列的滤波目标分解到各个部分并通过各部分的频率响应综合得到天线阵列的整体滤波特性。
2.根据权利要求1所述的基于混合馈电网络的圆极化集成滤波天线阵列，其特征是，所述的叠层贴片辐射单元共有256个，呈16×16网格排列，每个叠层贴片辐射单元，包括：自上而下依次设置的上层贴片、第一介质层、下层贴片、第二介质层和第一金属地平面，其中：位于第二介质层中的两个馈电通孔对下层贴片进行馈电，下层贴片与上层贴片之间有电磁耦合。
3.根据权利要求1所述的基于混合馈电网络的圆极化集成滤波天线阵列，其特征是，所述的带状线结构的1分32馈电网络共有16个，呈4×4网格排列，每个带状线结构的1分32馈电网络均为带状线结构构成的二级顺序旋转馈电网络，包括：自上而下依次设置的第三介质层、作为第一级的1分4功分馈网、第四介质层、第二金属地平面、第五介质层、作为第二级的1分8功分馈网、第六介质层和第三金属地平面，其中：1分4功分馈网与1分8功分馈网通过位于第四和第五介质层中的连接通孔进行连通，1分8功分馈网输出的8个端口分为4对等幅正交端口，每对的2个端口输出0°/90°等幅正交信号，与叠层贴片辐射单元的馈电通孔连接。
4.根据权利要求1所述的基于混合馈电网络的圆极化集成滤波天线阵列，其特征是，所述的空气填充集成GWG结构的1分16馈电网络用于激励整个圆极化集成滤波天线阵列，包括：由上而下依次设置的第七介质层、正方形金属贴片、第八介质层和第四金属地平面，其中：正方形金属贴片呈周期性排布，用于围成空气填充集成GWG结构和凸出匹配结构；第七介质层中设有正对正方形金属贴片中心位置的接地通孔。
5.根据权利要求3所述的基于混合馈电网络的圆极化集成滤波天线阵列，其特征是，所述的SIW带通滤波器，包括：五个相互耦合的SIW谐振腔和梯形渐变接地共面波导，其中：第一谐振腔、第二谐振腔、第五谐振腔、梯形渐变接地共面波导与空气填充集成GWG结构的1分16馈电网络位于同一层，第三谐振腔、第四谐振腔与带状线结构的1分32馈电网络的1分4功分馈网位于同一层，同层谐振腔之间通过感性窗进行耦合，不同层谐振腔之间通过靠近谐振腔两侧边缘的窄槽或位于谐振腔中心的圆孔进行耦合。
6.根据权利要求1所述的基于混合馈电网络的圆极化集成滤波天线阵列，其特征是，所述的带状线到空气填充集成GWG转接结构，采用叉形结构、第一阻抗变换线、第二阻抗变换线和地面开槽结构，具有准带通特性；
所述的空气填充集成GWG到SIW转接结构，为一段宽度指数渐变的介质过渡结构。
7.根据权利要求4所述的基于混合馈电网络的圆极化集成滤波天线阵列，其特征是，所述的空气填充是指：通过将周期排布的正方形金属贴片围成的区域中的介质挖去，构成空气腔，从而显著降低空气填充集成GWG结构的介质损耗，空气腔的横向边界面，即分界面左侧为正方形金属贴片和接地通孔部分，其输入导纳为
Figure FDA0003875300060000021
分界面右侧为空气腔部分，其输入导纳为
Figure FDA0003875300060000022
在主模截止频率处产生横向谐振，分界面两侧视入的输入导纳之和为0，即满足横向谐振方程：
Figure FDA0003875300060000023
其中：接地通孔产生等效电感L1，正方形金属贴片与第四金属地平面之间产生等效电容C1，第四金属地平面与第三金属地平面之间的距离为d，空气腔的横向宽度为Wa，正方形金属贴片的排布周期为p，空气的本征阻抗为η0，空气中光速为c0；
所述的空气填充集成GWG结构，整体宽度为
Figure FDA0003875300060000024
其中：λ0为中心频率所对应的波长。
8.根据权利要求1-7中任一所述的基于混合馈电网络的圆极化集成滤波天线阵列，其特征是，所述的集成滤波具体包括：
当f<f1-0.79BW时，整体响应的低频带外抑制由叠层贴片辐射单元、空气填充集成GWG结构的1分16馈电网络、SIW带通滤波器共同贡献；
当f1-0.79BW<f<f1-0.4BW时，整体响应的低频带外抑制由叠层贴片辐射单元和SIW带通滤波器贡献；
当f1-0.4BW<f<f1时，整体响应的低频带外抑制由叠层贴片辐射单元、SIW带通滤波器和带状线到空气填充集成GWG转接结构贡献；
当f2<f<f2+0.3BW时，整体响应的高频带外抑制由叠层贴片辐射单元、SIW带通滤波器、带状线到空气填充集成GWG转接结构贡献；
当f>f2+0.3BW时，整体响应的高频带外抑制由空气填充集成GWG结构的1分16馈电网络、SIW带通滤波器、带状线到空气填充集成GWG转接结构贡献；
其中：f为工作频率，f1为集成滤波天线阵列的下截止频率，f2为集成滤波天线阵列的上截止频率，BW为集成滤波天线阵列的工作带宽。
9.根据权利要求5所述的基于混合馈电网络的圆极化集成滤波天线阵列，其特征是，所述的SIW带通滤波器中第一至第五谐振腔对应为五个谐振节点，梯形渐变接地共面波导对应为SIW带通滤波器的耦合拓扑结构的源端节点，空气填充集成GWG到SIW转接结构及空气填充集成GWG结构的1分16馈电网络的输入阻抗特性对应为SIW带通滤波器的耦合拓扑结构的负载端节点，从而构成SIW带通滤波器的耦合拓扑结构；该耦合拓扑结构的第一至第四谐振节点之间依次为磁耦合，第四和第五谐振节点之间为电耦合，第五和负载端节点L之间为磁耦合，第二和第五谐振节点之间为磁耦合。
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