CN116014432A - 一种基片集成介质谐振器滤波天线阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基片集成介质谐振器滤波天线阵列，包括金属层和基片层，金属层一上开设有若干矩形框，基片层一上设置有对应的空气孔带，每个空气孔带内均具有矩形介质基片结构，每个矩形介质基片结构内设置有两个空气孔一；金属层二上开设有金属开窗，金属开窗内设置有平行于矩形介质基片结构的若干金属条带和若干金属贴片，基片层二上设置有若干贯穿基片层一和基片层二的金属化过孔一以及贯穿基片层二的金属化过孔二，金属化过孔二连接于金属贴片，金属层三上设置有与矩形介质基片结构相对应的矩形槽，金属层四上设置有若干双T型馈电金属结构。本发明能够在毫米波频段实现高集成度、高加工精度、易组装，在性能上带宽宽、效率高、带外抑制好。

Description

一种基片集成介质谐振器滤波天线阵列

技术领域

本发明涉及微波通信领域，具体来说，涉及一种基片集成介质谐振器滤波天线阵列。

背景技术

随着移动通信的发展，对高速率通信和高频无线电频谱资源的需求都指向了毫米波通信这一新兴技术。由于毫米波频段频率高、波长短，通常天线系统需要克服两个问题：一是需要组阵以增加传输距离；二是高频率对应的趋肤效应导致导体损耗较大，需要提出介质谐振器天线以避免金属天线的低辐射效率问题。因此在毫米波频段，介质谐振器天线阵列是必然需求。另外，滤波天线将滤波与辐射功能融合在一个器件中，能够有效减少系统尺寸及损耗，因此介质谐振器滤波天线阵列将能进一步改善毫米波天线系统的性能。

然而，在毫米波频段天线尺寸小、加工精度高、组装难度大、与系统可集成要求高，传统的陶瓷材质介质谐振器天线很难满足上述需求，需要借助商用电路板的基片实现基片集成介质谐振器天线。综合上述需求，基片集成介质谐振器滤波天线阵列，能够提高天线效率、集成度，减少结构、尺寸及损耗，增加传输距离，对于高质量毫米波通信系统的发展具有重要价值。

现有的毫米波滤波天线大多是金属辐射体天线，虽然能够有效集成，但是损耗大、效率低，并且大多数设计带宽相对有限。陶瓷材质介质谐振器滤波天线，在毫米波频段具有较高效率，但是不易与基片集成、组装难度大，不适用于高集成度要求的毫米波频段，因此目前主要在较低频段实现，并且主要集中于介质谐振器滤波天线单元设计。

在设计方法上，陶瓷材质介质谐振器滤波天线可以分为四类：第一类采用单模介质谐振器，且不引入额外谐振点，由于品质因数较高，通常天线宽带较窄，小于10%；第二类引入馈电耦合槽，可以增加一个谐振点，带宽得到一定程度增加；第三类引入额外的谐振结构如槽谐振器、依附于谐振器表面的金属枝节等，增加谐振点，提升带宽，但是由于介质谐振器仍然单模工作总体带宽提升有限，并且存在金属地结构破坏严重、结构无法平面化等问题；第四类通过改变介质谐振器的形状及尺寸，激励起多个谐振器的模式，从而获得宽带工作，但此类设计通常尺寸较大，不易组阵，并且部分设计在剖面上发生了形变不易于平面化。也就是说，现有的介质谐振器滤波天线多以高介电常数陶瓷介质作为辐射主体，在毫米波频段不易集成、组装，在性能上大部分设计带宽较窄、尺寸较大不易组阵、金属地破坏严重或者结构无法平面化；现有的基片集成介质谐振器天线缺乏滤波功能、阵列滤波、滤波天线阵元间的互耦，且设计自由度低。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中的问题，本发明提出一种基片集成介质谐振器滤波天线阵列，其在性能上获得了足够的带宽及带外抑制，在阵元尺寸上能够组阵，在阵列特性上保证了阵列滤波的稳定性、单元间的低互耦，在设计自由度上充分利用基片集成的特点组合金属及介质结构提高设计自由度。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基片集成介质谐振器滤波天线阵列，包括金属层和基片层，所述金属层包括金属层一、金属层二、金属层三以及金属层四，所述基片层包括基片层一、基片层二以及基片层三，且所述金属层与所述基片层之间相互交错层叠，其中，所述金属层一上开设有若干矩形框，所述基片层一上与所述矩形框相对的位置设置有对应的空气孔带，每个空气孔带内具有矩形介质基片结构，且每个矩形介质基片结构内设置有两个空气孔一；所述金属层二上开设有与所述空气孔带对应的金属开窗，所述金属开窗内设置有平行于所述矩形介质基片结构的若干金属条带和若干金属贴片，所述基片层二上设置有若干贯穿所述基片层一和所述基片层二的金属化过孔一以及贯穿所述基片层二的金属化过孔二，所述金属化过孔二连接于所述金属贴片，所述金属层三上设置有与所述矩形介质基片结构相对应的矩形槽，所述金属层四上设置有若干双T型馈电金属结构，所述双T型馈电金属结构位于所述矩形槽的下方。

其中，所述矩形框的长度为0.5λ₀~0.54λ₀，所述矩形框的宽度为0.73λ₀~0.77λ₀，且相邻两所述矩形框之间的金属条的线宽为0.12λ₀~0.16λ₀。

其中，所述基片层一的介电常数大于10，且每个空气孔带由三种不同口径的空气孔二交错分布形成，所述空气孔带为方环形结构，且最小口径的空气孔二围绕最大口径的空气孔二分布并形成矩形空气孔带。

其中，所述矩形介质基片结构的长度为0.36λ₀~0.44λ₀，所述矩形介质基片结构的宽度为0.18λ₀~0.22λ₀，每个矩形介质基片结构内的空气孔一的孔径为0.06λ₀~0.09λ₀。

其中，所述金属条带位于所述空气孔带的下方，且所述金属条带的两端位于最大口径的空气孔二的下方。

其中，所述金属条带的长度为0.18λ₀~0.22λ₀，所述金属条带的间距为0.2λ₀~0.25λ₀。

其中，所述金属贴片的间距为0.55λ₀~0.6λ₀，且所述金属贴片位于所述矩形空气孔带的下方，且所述金属贴片的宽边长度小于最大口径的空气孔二的孔径。

其中，所述基片层二的介电常数小于3.6，且所述金属化过孔一位于所述基片层二上与所述金属开窗相对应的位置。

其中，所述矩形槽与所述矩形介质基片结构的中心相对应，且所述矩形槽的槽长为0.18λ₀~0.2λ₀。

其中，所述双T型馈电金属结构由金属带线、一对长枝节和一对短枝节构成，其中，一对长枝节和一对短枝节均对称设置于所述金属带线的两侧；所述长枝节的长度为0.28λ₀~0.3λ₀，短枝节的长度为0.12λ₀~0.13λ₀。

有益效果：本发明能够在毫米波频段实现高集成度、高加工精度、易组装，在性能上带宽宽、效率高、带外抑制好，在阵元尺寸上能够组阵，在阵列特性上阵列滤波性能稳定、单元间互耦低，并且能够充分利用基片集成的特点组合金属及介质结构获得高设计自由度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的一种基片集成介质谐振器滤波天线阵列的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的1×4基片集成介质谐振器滤波天线阵列的一端口反射系数及天线阵列的增益对比图；

图3是根据本发明实施例的1×4基片集成介质谐振器滤波天线阵列的端口间互耦水平对比图；

图4是根据本发明实施例的1×4基片集成介质谐振器滤波天线阵列在22GHz xoz面内的扫描方向图。

图中：

1、金属层一；2、金属层二；3、金属层三；4、金属层四；5、基片层一；6、基片层二；7、基片层三；8、矩形框；9、空气孔带；10、矩形介质基片结构；11、空气孔一；12、金属开窗；13、金属条带；14、金属贴片；15、金属化过孔一；16、金属化过孔二；17、矩形槽；18、双T型馈电金属结构；19、空气孔二；20、金属带线；21、长枝节；22、短枝节；23、金属条。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明的实施例，提供了一种基片集成介质谐振器滤波天线阵列。

如图1所示，根据本发明实施例的一种基片集成介质谐振器滤波天线阵列，包括金属层和基片层，所述金属层包括金属层一1、金属层二2、金属层三3以及金属层四4，所述基片层包括基片层一5、基片层二6以及基片层三7，且所述金属层与所述基片层之间相互交错层叠，其中，所述金属层一1上开设有若干矩形框8，所述基片层一5上与所述矩形框8相对的位置设置有对应的空气孔带9，每个空气孔带内具有矩形介质基片结构10，且每个矩形介质基片结构10内设置有两个空气孔一11；所述金属层二2上开设有与所述空气孔带9对应的金属开窗12，所述金属开窗12内设置有平行于所述矩形介质基片结构10的若干金属条带13和若干金属贴片14，所述基片层二6上设置有若干贯穿所述基片层一5和所述基片层二6的金属化过孔一15以及贯穿所述基片层二6的金属化过孔二16，所述金属化过孔二16连接于所述金属贴片14，所述金属层三3上设置有与所述矩形介质基片结构10相对应的矩形槽17，所述金属层四4上设置有若干双T型馈电金属结构18，所述双T型馈电金属结构18位于所述矩形槽17的下方。

具体应用时，所述矩形框8的长度为0.5λ₀~0.54λ₀（λ₀为中心频率对应的自由空间波长），所述矩形框8的宽度为0.73λ₀~0.77λ₀，且相邻两所述矩形框8之间的金属条23的线宽为0.12λ₀~0.16λ₀。使用时，矩形框8和金属开窗12保证了基片集成介质谐振器滤波天线阵列的整体滤波稳定性及单元间的互耦。而所述基片层一5的介电常数大于10，且每个空气孔带9由三种不同口径的空气孔二19交错分布形成，所述空气孔带9为方环形结构，且最小口径的空气孔二19围绕最大口径的空气孔二19分布并形成矩形空气孔带。所述矩形介质基片结构10的长度为0.36λ₀~0.44λ₀，所述矩形介质基片结构10的宽度为0.18λ₀~0.22λ₀，每个矩形介质基片结构10内的空气孔一11的孔径为0.06λ₀~0.09λ₀，可以有效减弱介质高次模的谐振。

而长度为0.18λ₀~0.22λ₀，间距为0.2λ₀~0.25λ₀的所述金属条带13则位于所述空气孔带9的下方，且所述金属条带13的两端位于最大口径的空气孔二19的下方。使用时，在工作频带内，可以扰动原TM₁₂₁模的水平电场分布，形成可以辐射的准TM₁₂₁模；在工作频带外，其上电场与基片集成介质谐振器中心位置的电场反向抵消形成上边带较高频辐射零点。

而间距为0.55λ₀~0.6λ₀的所述金属贴片14则位于所述矩形空气孔带的下方，且所述金属贴片14的宽边长度小于最大口径的空气孔二19的孔径。使用时，用于加强与平行金属条带水平电场分量的抵消场，为上边带较低频提供了辐射零点，提高了频率选择性。

而所述基片层二6的介电常数小于3.6，且所述金属化过孔一15位于所述基片层二6上与所述金属开窗12相对应的位置。所述矩形槽17与所述矩形介质基片结构10的中心相对应，且所述矩形槽17的槽长为0.18λ₀~0.2λ₀。矩形槽17的设计则可用于对各自谐振器耦合馈电。

而所述双T型馈电金属结构18则由金属带线20、一对长枝节21和一对短枝节22构成，其中，一对长枝节21和一对短枝节22均对称设置于所述金属带线20的两侧；所述长枝节21的长度为0.28λ₀~0.3λ₀，所述短枝节22的长度为0.12λ₀~0.13λ₀。使用时，双T型馈电金属结构18与基片层三7以及金属层四4组成了双T型微带馈电结构，其陷波作用为基片集成介质谐振器滤波天线阵列贡献了一个下边带处的辐射零点和阻带高端的带外抑制。此外，金属化过孔一15及其包围的基片层一5和基片层二6的介质部分组成了基片集成的介质谐振器作为天线的辐射体。

具体使用时，对于1×4基片集成介质谐振器滤波天线阵列来说，信号从四个端口馈入至双T型微带馈电结构，而后通过四个矩形槽17分别耦合激励四个基片集成介质谐振器，并在金属条带13、金属贴片14及空气孔二19的共同作用下，形成具有滤波功能基片集成介质谐振器天线阵列。在工作过程中可以形成四个谐振点，其中两个来自于金属条带13作用下的基片集成介质谐振器，分别对应TE₁₁₁模和准TM₁₂₁模。TE₁₁₁模主要由矩形介质基片结构10贡献，准TM₁₂₁模由金属条带13消除基片集成介质谐振器TM₁₂₁模的水平反向电场分量后形成。另外两个谐振点分别来自于槽模和双T型微带馈电结构陷波作用带来的强谐振。因此，本发明能够充分利用介质谐振器的相邻高次模、槽模、馈电结构带来的强谐振形成四个反射零点，获得足够的带宽。

此外，该基片集成介质谐振器滤波天线阵列可在带外产生三个独立可控的辐射零点：下边带辐射零点由双T型微带馈电结构陷波作用形成；上边带高频辐射零点由金属条带13的电场与基片集成介质谐振器中心位置的电场相反向抵消形成；上边带低频辐射零点由短路小尺寸的金属贴片14加强后的水平电场分量与金属条带13的水平电场分量相互反相抵消形成。因此，整体天线在上下边带都具有较好的频率选择性。

而为了获得较好的带外抑制性能，本发明通过两种手段来提升高频带外抑制水平。首先双T型微带馈电结构，在阻带高端能够产生陷波作用，从而压制高端的带外增益。其次在基片集成介质谐振器中心设置的空气孔一11，可以有效减弱介质高次模的谐振，从而压制阻带中段的增益。而基片集成介质谐振器滤波天线阵列的整体滤波稳定性及单元间的互耦由金属条23的宽度进行控制。

由此可见，基于上述设计，使用时能够获得较宽的带宽、较好的频率选择性，带外抑制及在毫米波频段的高效率等性能特性，并且整体采用基片集成式工艺实现，由上中下三层商用基片集成，保证介质、过孔及金属结构的高度整合，且各司其职，提高了整体设计自由度、集成度和可生产性。

此外，图2是基片集成介质谐振器滤波天线阵列一端口反射系数及天线阵列的增益对比图，从图2中可以看出，天线阵列的端口从左到右分别编号为1、2、3、4。可见其中心工作频率在24 GHz，10-dB匹配带宽为33%，阵列的最高实际增益可达14.2dBi，在工作频带内，平均辐射效率为90%。在通带两侧出现三个辐射零点，分别位于19GHz、30GHz、31.5GHz，为该天线阵列保证了滤波响应，并有良好的频率选择性。同时，该天线阵列在29.3GHz-46.7GHz的宽频带中保持了17dB以上的带外抑制水平。图3是基片集成介质谐振器滤波天线阵列的端口间互耦水平对比图，从图3中可以看出，为该天线阵列各个端口间的互耦水平均小于-20dB。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过构建由特定分布的多孔径空气孔（非金属化过孔）、金属化过孔及高低介电常数介质基片组成的基片集成介质谐振器，通过双T型微带结构以槽耦合方式激励工作，并在平行金属条带、短路小尺寸金属贴片的作用下，形成TE₁₁₁模、准TM₁₂₁模、槽模及陷波强谐振主导的四个反射零点，陷波作用和频带外水平电场反相抵消主导的三个辐射零点，以及馈电结构和中心过孔加强的带外抑制，最终获得具有高集成度、高精度、易组装、宽带、高效率、高带外抑制、低互耦、高设计自由度等优点的基片集成介质谐振器滤波天线阵列。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基片集成介质谐振器滤波天线阵列，包括金属层和基片层，其特征在于，所述金属层包括金属层一（1）、金属层二（2）、金属层三（3）以及金属层四（4），所述基片层包括基片层一（5）、基片层二（6）以及基片层三（7），且所述金属层与所述基片层之间相互交错层叠，其中，所述金属层一（1）上开设有若干矩形框（8），所述基片层一（5）上与所述矩形框（8）相对的位置设置有对应的空气孔带（9），每个空气孔带（9）内具有矩形介质基片结构（10），且每个矩形介质基片结构（10）内设置有两个空气孔一（11）；所述金属层二（2）上开设有与所述空气孔带（9）对应的金属开窗（12），所述金属开窗（12）内设置有平行于所述矩形介质基片结构（10）的若干金属条带（13）和若干金属贴片（14），所述基片层二（6）上设置有若干贯穿所述基片层一（5）和所述基片层二（6）的金属化过孔一（15）以及贯穿所述基片层二（6）的金属化过孔二（16），所述金属化过孔二（16）连接于所述金属贴片（14），所述金属层三（3）上设置有与所述矩形介质基片结构（10）相对应的矩形槽（17），所述金属层四（4）上设置有若干双T型馈电金属结构（18），所述双T型馈电金属结构（18）位于所述矩形槽（17）的下方。

2.根据权利要求1所述的基片集成介质谐振器滤波天线阵列，其特征在于，所述矩形框（8）的长度为0.5λ₀~0.54λ₀，所述矩形框（8）的宽度为0.73λ₀~0.77λ₀，且相邻两所述矩形框（8）之间的金属条（23）的线宽为0.12λ₀~0.16λ₀。

3.根据权利要求1所述的基片集成介质谐振器滤波天线阵列，其特征在于，所述基片层一（5）的介电常数大于10，且每个空气孔带（9）由三种不同口径的空气孔二（19）交错分布形成，所述空气孔带（9）为方环形结构，且最小口径的空气孔二（19）围绕最大口径的空气孔二（19）分布并形成矩形空气孔带。

4.根据权利要求3所述的基片集成介质谐振器滤波天线阵列，其特征在于，所述矩形介质基片结构（10）的长度为0.36λ₀~0.44λ₀，所述矩形介质基片结构（10）的宽度为0.18λ₀~0.22λ₀，每个矩形介质基片结构（10）内的空气孔一（11）的孔径为0.06λ₀~0.09λ₀。

5.根据权利要求3所述的基片集成介质谐振器滤波天线阵列，其特征在于，所述金属条带（13）位于所述空气孔带（9）的下方，且所述金属条带（13）的两端位于最大口径的空气孔二（19）的下方。

6.根据权利要求5所述的基片集成介质谐振器滤波天线阵列，其特征在于，所述金属条带（13）的长度为0.18λ₀~0.22λ₀，所述金属条带（13）的间距为0.2λ₀~0.25λ₀。

7.根据权利要求3所述的基片集成介质谐振器滤波天线阵列，其特征在于，所述金属贴片（14）的间距为0.55λ₀~0.6λ₀，且所述金属贴片（14）位于所述矩形空气孔带的下方，且所述金属贴片（14）的宽边长度小于最大口径的空气孔二（19）的孔径。

8.根据权利要求1所述的基片集成介质谐振器滤波天线阵列，其特征在于，所述基片层二（6）的介电常数小于3.6，且所述金属化过孔一（15）位于所述基片层二（6）上与所述金属开窗（12）相对应的位置。

9.根据权利要求1所述的基片集成介质谐振器滤波天线阵列，其特征在于，所述矩形槽（17）与所述矩形介质基片结构（10）的中心相对应，且所述矩形槽（17）的槽长为0.18λ₀~0.2λ₀。

10.根据权利要求1所述的基片集成介质谐振器滤波天线阵列，其特征在于，所述双T型馈电金属结构（18）由金属带线（20）、一对长枝节（21）和一对短枝节（22）构成，其中，一对长枝节（21）和一对短枝节（22）均对称设置于所述金属带线（20）的两侧；所述长枝节（21）的长度为0.28λ₀~0.3λ₀，所述短枝节（22）的长度为0.12λ₀~0.13λ₀。

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