CN116544662A - 一种基于半模基片集成同轴线的滤波缝隙阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于半模基片集成同轴线的滤波缝隙阵列天线，包括基于半模基片集成同轴线缝隙阵列天线、基于基片集成同轴线带通滤波器及半模基片集成同轴转接结构，基于半模基片集成同轴线缝隙阵列天线为以金属内导体直线部分所在的中间粘合层为截面在竖直方向上延伸的整个结构，基于基片集成同轴线带通滤波器为金属内导体弯曲部分所在的中间粘合层在竖直方向上延伸的整个结构，并与金属内导体在中间金属层通过半模基片集成同轴转接结构连接。本发明一种基于半模基片集成同轴线的滤波缝隙阵列天线具有小型化、集成度高、高增益的特点。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种滤波缝隙阵列天线。
背景技术
近年来，随着无线通信技术的飞速发展，无线通信系统对天线的要求也越来越高。当前无线通信系统中的各电子设备正朝着低功耗、小尺寸和集成化的方向迈进。滤波天线是进来学者的研究重点，滤波天线能够获得平坦的带内增益、能够提高足够的阻带深度以满足滤除杂散频率以及高次模的需求、较好的频率选择性能够拓展原有天线的带宽。
传统的滤波天线设计方法只着眼于滤波器和天线各自本身，将滤波器和天线独立设计再在两者之间增加额外的匹配电路实现级联的。然而，这会使滤波天线的结构变得复杂，尺寸和损耗也会增大，滤波器不能直接测试以及与其他传输线模块互连集成。
现今，滤波器和天线作为选频和辐射的功能部件，在毫米波微系统中功能集成的情况非常普遍。其中，将滤波器和天线集成在一个模块构成滤波天线，是实现射频前端设备小型化的关键。传统的滤波天线结构主要是基于微带线设计、金属矩形波导或基片集成波导技术设计。基于微带线设计的滤波天线，由于微带线不连续导致的大寄生辐射损耗和低品质因子而具有较大的插入损耗和较低的选择性，对同一衬底中其他无源器件和有源器件的辐射所引起的外部干扰非常敏感，且具有较低的增益，导致无线通信系统的运行质量差。基于金属矩形波导设计的滤波天线，因为金属矩形波导是实际应用中的馈电结构，具有低损耗和高品质因数等优点，但金属矩形波导传输稳定性及精度的好坏，直接影响滤波天线的辐射特性及滤波性能，且金属矩形波导结构体积大、笨重、加工工艺复杂以及调试过程比较麻烦，导致不易与平面电路集成，在实际应用中费用昂贵，维护困难。基于基片集成波导技术的滤波天线，与馈电结构的结合不充分，电磁能量易泄露，滤波结构产生插入损耗，天线增益低。
因此，需要一种新的技术方案以解决上述问题。
发明内容
为了解决现有技术所产生的问题，本发明提供了一种具有小型化、集成度高、高增益的基于半模基片集成同轴线的滤波缝隙阵列天线。
为达到上述目的，本发明基于半模基片集成同轴线的滤波缝隙阵列天线采用如下技术方案：
一种基于半模基片集成同轴线的滤波缝隙阵列天线，包括顶层金属导体、底层金属导体、金属化通孔，其特征在于，还包括中间金属导体层、缝隙辐射单元；
其中，所述中间金属导体层包括形状变化的金属内导体、设于金属内导体弯曲部分两侧的金属短截线、一端自弯曲部分金属内导体延伸而另一端与金属短截线连接的短路枝节，金属短截线、短路枝节起到滤波作用；
缝隙辐射单元依次包括在竖直方向上一一对应的缝隙、设于金属内导体一段直线部分处的金属圆盘、金属化盲孔和环形槽；缝隙蚀刻于顶层金属导体；金属化盲孔位于环形槽的中心，环形槽与金属化盲孔均位于底层金属导体上；所述的金属化盲孔与金属圆盘接触以连接中间金属导体层和底层金属导体；
金属化通孔自上而下贯穿整个结构，并连接顶、底层金属导体形成封闭式结构。
进一步的，所述的缝隙辐射单元设有5个，各辐射单元间距相同，组成一维线阵。
进一步的，所述的金属短截线等间距的排布于金属内导体两侧，且通过金属化通孔与顶层金属导体、底层金属导体相连。
进一步的，所述的金属圆盘、金属化盲孔、环形槽组成阻抗匹配结构，改变所述的环形槽的直径以调整阻抗。
进一步的，所述的环形槽将金属化盲孔和底层金属导体隔开，形成阻抗匹配结构的开路；金属内导体设有金属圆盘的一端形成终端开路。
进一步的，所述的基于半模基片集成同轴线的滤波缝隙阵列天线自上而下设有顶层金属导体、上层介质层、中间金属导体层、中间粘合层、下层介质层、底层金属导体；金属内导体位于中间粘合层上表面沿长度延伸方向的中心，金属内导体由直线部分和弯折部分组成，设有金属圆盘的部分与长度延伸方向平行，设有短路枝节的部分呈弓字型弯折，顶层金属导体只留有沿金属内导体直线部分轴对称的一半，其他介质层及金属导体层长度、宽度均相等。
进一步的，以所述顶层金属导体覆盖弯曲的金属内导体和金属短截线为截面向整个结构的竖直方向延伸的部分以及排列于金属内导体弯曲部分的两侧，与金属短截线重合的金属化通孔为基于基片集成同轴线的带通滤波器。
进一步的，以所述顶层金属导体沿金属内导体为轴对称的一面为截面，向整个结构竖直方向延伸的部分以及沿整个结构长度、宽度延伸方向规则排列于设有金属圆盘的金属内导体直线部分的一侧的金属化通孔为半模基片集成同轴线缝隙天线。
进一步的，以所述顶层金属导体覆盖金属内导体未设金属圆盘的直线部分为截面，向整个结构竖直方向延伸的部分以及沿整个结构宽度、长度延伸方向规则排列于未设有金属圆盘的金属内导体直线部分的两侧的金属化通孔为半模基片集成同轴转接结构。
进一步的，所述基于半模基片集成同轴线的滤波缝隙阵列天线通过PCB加工工艺加工实现，在上层介质层上表面镀铜以形成顶层金属导体，同时将缝隙蚀刻于顶层金属导体上，在上层介质层下表面镀铜以形成金属内导体、金属短截线、短路枝节，在下层介质层上表面镀铜以形成底层金属导体，同时将环形槽蚀刻于底层金属导体上，将上、下两层介质层以及中间粘合层层压成型，最后在金属化通孔以及金属化盲孔对应位置钻孔，通过孔间镀铜实现电气连接。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明基于半模基片集成同轴线设计，剖面减小；通过在半模基片集成同轴线上蚀刻缝隙而没有增加额外结构；滤波结构在中间金属导体层充分与天线的馈电结构-金属内导体结合；基片集成同轴线带通滤波器为弯折的金属内导体，在金属内导体上增加短路枝节，以减小尺寸；均有效实现了小型化。
2、天线、滤波结构、馈电结构一体化设计同时将滤波器与天线的馈电结构集成，有利于实现天线与微波毫米波电路的集成。
3、通过在金属表面引入缝隙来切割表面电流，从而在缝隙口径处形成位移电流使缝隙得到激励而向外产生辐射的，它具有辐射效率高、结构紧凑、损耗低的优良特性；该滤波结构是封闭式结构，明显抑制带外电磁能量，提高了频率选择性，降低滤波结构的插入损耗，扩展了缝隙阵列天线的阻抗带宽同时能够提高天线增益。
附图说明
图1为本发明的结构图；
图2为顶层金属导体示意图；
图3为中间金属层与中间粘合层结构示意图；
图4为底层金属导体示意图；
图5为基片集成同轴线滤波器的结构示意图；
图6为本发明在添加基片集成同轴线滤波器前后，反射系数和峰值增益对比；
图7为本发明在中心工作频率28GHz时主极化和交叉极化增益方向图；
图8为本发明缝隙产生45°线极化示意图。
图中，1为顶层金属导体，2为上层介质层，3为金属内导体，4为中间粘合层，5为下层介质层，6为底层金属导体，7为金属化通孔，8为缝隙，9为金属圆盘，10为金属化盲孔，11为环形槽，12为金属化通孔，13为金属短截线，14-18为短路枝节，Ⅰ为半模基片集成同轴线缝隙阵列天线，Ⅱ半模基片集成同轴转接结构，Ⅲ为基片集成同轴线滤波器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
请参阅图1所示，本发明公开了一种基于半模基片集成同轴线的滤波缝隙阵列天线100，竖直方向自上而下依次包括顶层金属导体1、上层介质层2、中间金属导体层、中间粘合层4、下层介质层5、底层金属导体6，另外设有多个规则排列的自上而下贯穿整个结构100的金属化通孔7、缝隙辐射单元，顶层金属导体1只留有沿金属内导体3直线部分轴对称的一半，其他介质层2及金属导体层1长度、宽度均相等。
参阅图3、5所示，中间金属导体层包括金属内导体3、金属短截线13及多个短路枝节14-18。金属内导体3位于中间粘合层长度延伸方向的中心，金属内导体3有直线部分及弯曲部分；金属圆盘9间距相等地设于金属内导体3一段直线部分处；未设金属圆盘9的金属内导体3另外一段直线部分将弯曲部分与一段直线部分连接；金属短截线13设于金属内导体3弯曲部分两侧；短路枝节14-18一端自弯曲部分的金属内导体3延伸，而另一端与金属短截线13连接。
参阅图1-4所示，缝隙辐射单元依次包括在竖直方向上一一对应的缝隙8、设于金属内导体3一段直线部分处的金属圆盘9、金属化盲孔10和环形槽11；缝隙8蚀刻于顶层金属导体1；金属化盲孔10位于环形槽11的中心，金属化盲孔10与环形槽11位于底层金属导体6上；金属化盲孔10与金属圆盘9接触以连接中间金属导体层和底层金属导体6；
参阅图1所示，金属化通孔12自上而下贯穿整个结构100，用于连接顶层金属导体1和底层金属导体6形成封闭式结构，具有良好的屏蔽型，同时降低辐射单元间的互耦，促进金属内导体3上的能量耦合到顶层金属导体1，实现有效辐射。
半模基片集成同轴线semi-SICL，是由基片集成同轴线SICL将顶层金属导体面积减少为底层金属导体一侧的面积改进而来的一种新型传输线，当SICL仅在主模式下工作时，电磁能量主要集中在内导体周围，且沿传播方向的对称平面上切向电场最大值位于中心线上，此时的法向磁场为零，因此对称平面可以作为等效磁壁，采用半封闭的半模基片集成同轴线进行馈电，易于其他电路集成，同时可以有效减小天线的尺寸，实现天线的小型化。
参阅图1至图8所示，以顶层金属导体1沿金属内导体3为轴对称的一面为截面，向整个结构100竖直方向延伸的部分为半模基片集成同轴线缝隙天线Ⅰ。半模基片集成同轴线缝隙天线Ⅰ主要包括缝隙辐射单元及金属化通孔。缝隙辐射单元设有5个，各辐射单元间距相同，相邻的辐射单元相距5.9mm，组成一维线阵以提高增益。其中，缝隙8长为1.9mm，宽为0.3mm，缝隙8处的电场与顶层金属导体1的电场相互垂直，两电场矢量叠加与缝隙呈45°夹角，使天线实现45°线极化辐射；金属内导体3终端开路，以实现对缝隙8的驻波激励。金属化盲孔10的直径为0.4mm，环形槽11的内径为0.8mm，外径为0.95mm。金属圆盘9、金属化盲孔10、环形槽11组成阻抗匹配结构，改变环形槽11的直径可以调整阻抗。同时，环形槽11将金属化盲孔10和底层金属导体6隔开，形成阻抗匹配结构的开路。此部分金属化通孔12沿长度、宽度延伸方向规则排列于设有金属圆盘9的金属内导体3直线部分的一侧。
以顶层金属导体1覆盖弯曲的金属内导体3和金属短截线13为截面向整个结构100的竖直方向延伸的部分为基于基片集成同轴线的带通滤波器Ⅲ。基于基片集成同轴线的带通滤波器Ⅲ包括金属内导体3、金属圆盘9、短路枝节14-18、金属通孔7及金属短截线13。金属内导体3设有金属圆盘9的部分与长度延伸方向平行，设有短路枝节14-18的部分呈弓字型弯折，通过弯折的金属内导体3以减少尺寸；短路枝节14、18的长为0.2mm，短路枝节15、17的长为1.05mm，短路枝节16的长为1.4mm；金属短截线13等间距的排布于金属内导体3两侧；且通过金属化通孔7与顶层金属导体1、底层金属导体6相连，金属短截线13与短路枝节14-18起到对弯曲部分金属内导体3的滤波作用；金属化通孔排列于金属内导体3弯曲部分的两侧，与金属短截线13重合，每排中相邻金属化通孔7的孔距为0.8mm，直径为0.5mm，合适的通孔尺寸和孔距可以降低加工难度同时达到防止电磁波泄露的目的。
以顶层金属导体1覆盖金属内导体3未设金属圆盘9的直线部分为截面，向整个结构100竖直方向延伸的部分为半模基片集成同轴转接结构Ⅱ。半模基片集成同轴转接结构Ⅱ包括未设圆盘9的金属内导体3及金属化通孔12。金属化通孔12沿宽度、长度延伸方向规则排列于未设有金属圆盘9的金属内导体3直线部分的两侧。半模基片集成同轴转接结构Ⅱ通过金属内导体3未设金属圆盘9的直线部分将基于基片集成同轴线的带通滤波器Ⅲ与半模基片集成同轴线缝隙天线Ⅰ在中间金属导体层连接起来，为缝隙天线馈电，两者结合实现了滤波天线馈电一体化设计，能够明显抑制带外电磁能量，提高了频率选择性，同时拓展天线的带宽。
介质层包括上层介质层2、中间粘合层4和下层介质层5，上层介质层2与下层介质层5均为厚度0.254mm的TaconocTLY-5印刷电路基板，中间粘合层4为厚度0.1mm的FR-27半固化片，金属内导体3宽度为0.386mm。基片集成同轴线的阻抗由基板厚度和内导体宽度决定，本发明的端口阻抗为50欧姆，便于与其他集成电路结构集成。
本实施例中采用的金属材料均为金属铜，基于半模基片集成同轴线的滤波缝隙阵列天线100通过PCB加工工艺加工实现，在上层介质层2上表面镀铜以形成顶层金属导体1，同时将缝隙8蚀刻于顶层金属导体1上，在上层介质层2下表面镀铜以形成金属内导体3、金属短截线13、短路枝节14-18，在下层介质层5上表面镀铜以形成底层金属导体6，同时将环形槽11蚀刻于底层金属导体6上，将上层介质层2、下层介质层5以及中间粘合层4层压成型，最后在金属化通孔12以及金属化盲孔10对应位置钻孔，通过孔间镀铜实现电气连接。
在本实例中，为了测得天线性能，使用仿真软件对基于半模基片集成同轴线的滤波缝隙阵列天线100进行参数仿真。由于天线是在自由空间内工作的，在天线模型创建完成后，将天线边界设置为理想边界条件，天线输入端口设置为波导端口，对24GHz-32GHz频段的性能进行分析计算。
参阅图6所示，给出了天线在添加滤波器结构前后的反射系数和实际增益仿真图对比：在未添加滤波器结构时，天线的-10dB阻抗带宽为27.6-28.3GHz，而添加滤波器结构后，天线的-10dB阻抗带宽为27.5-28.5GHz，拓展了天线的带宽。同时，添加了滤波器结构后，天线的带外增益显著降低。
参阅图7所示，给出了天线在中心频率28GHz处，天线的主极化和交叉极化增益方向图：天线最大辐射方向主极化辐射增益为12.02dBi，交叉极化辐射增益为-7.3dBi，交叉极化性能良好。
综上，本发明一种基于半模基片集成同轴线的滤波缝隙阵列天线具有小型化、集成度高、高增益的特点。
Claims (10)
1.一种基于半模基片集成同轴线的滤波缝隙阵列天线，包括顶层金属导体、底层金属导体、金属化通孔，其特征在于，还包括中间金属导体层、缝隙辐射单元；
其中，所述中间金属导体层包括形状变化的金属内导体、设于金属内导体弯曲部分两侧的金属短截线、一端自弯曲部分金属内导体延伸而另一端与金属短截线连接的短路枝节，金属短截线与短路枝节起到滤波作用；
缝隙辐射单元依次包括在竖直方向上一一对应的缝隙、设于金属内导体一段直线部分处的金属圆盘、金属化盲孔和环形槽；缝隙蚀刻于顶层金属导体；金属化盲孔位于环形槽的中心，环形槽与金属化盲孔位于底层金属导体上；所述的金属化盲孔与金属圆盘接触以连接中间金属导体层和底层金属导体；
金属化通孔自上而下贯穿整个结构，并连接顶、底层金属导体形成封闭式结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于半模基片集成同轴线的滤波缝隙阵列天线，其特征在于，所述的缝隙辐射单元设有5个，各辐射单元间距相同，组成一维线阵。
3.根据权利要求1所述的一种基于半模基片集成同轴线的滤波缝隙阵列天线，其特征在于，所述的金属短截线等间距的排布于金属内导体两侧，且通过金属化通孔与顶层金属导体、底层金属导体相连。
4.根据权利要求1所述的一种基于半模基片集成同轴线的滤波缝隙阵列天线，其特征在于，所述的金属圆盘、金属化盲孔、环形槽组成阻抗匹配结构，改变所述的环形槽的直径以调整阻抗。
5.根据权利要求1所述的一种基于半模基片集成同轴线的滤波缝隙阵列天线，其特征在于，所述的环形槽将金属化盲孔和底层金属导体隔开，形成阻抗匹配结构的开路；金属内导体设有金属圆盘的一端形成终端开路。
6.根据权利要求1所述的一种基于半模基片集成同轴线的滤波缝隙阵列天线，其特征在于，所述的基于半模基片集成同轴线的滤波缝隙阵列天线自上而下设有顶层金属导体、上层介质层、中间金属导体层、中间粘合层、下层介质层、底层金属导体；金属内导体位于中间粘合层上表面沿长度延伸方向的中心，金属内导体由直线部分和弯折部分组成，设有金属圆盘的部分与长度延伸方向平行，设有短路枝节的部分呈弓字型弯折，顶层金属导体只留有沿金属内导体直线部分轴对称的一半，其他介质层及金属导体层长度、宽度均相等。
7.根据权利要求1或6所述的一种基于半模基片集成同轴线的滤波缝隙阵列天线，其特征在于，以所述顶层金属导体覆盖弯曲的金属内导体和金属短截线为截面向整个结构的竖直方向延伸的部分以及排列于金属内导体弯曲部分的两侧，与金属短截线重合的金属化通孔为基于基片集成同轴线的带通滤波器。
8.根据权利要求1或6所述的一种基于半模基片集成同轴线的滤波缝隙阵列天线，其特征在于，以所述顶层金属导体沿金属内导体为轴对称的一面为截面，向整个结构竖直方向延伸的部分以及沿整个结构长度、宽度延伸方向规则排列于设有金属圆盘的金属内导体直线部分的一侧的金属化通孔为半模基片集成同轴线缝隙天线。
9.根据权利要求1或6所述的一种基于半模基片集成同轴线的滤波缝隙阵列天线，其特征在于，以所述顶层金属导体覆盖金属内导体未设金属圆盘的直线部分为截面，向整个结构竖直方向延伸的部分以及沿整个结构宽度、长度延伸方向规则排列于未设有金属圆盘的金属内导体直线部分的两侧的金属化通孔为半模基片集成同轴转接结构。
10.根据权利要求1所述的一种基于半模基片集成同轴线的滤波缝隙阵列天线，其特征在于，所述基于半模基片集成同轴线的滤波缝隙阵列天线通过PCB加工工艺加工实现，在上层介质层上表面镀铜以形成顶层金属导体，同时将缝隙蚀刻于顶层金属导体上，在上层介质层下表面镀铜以形成金属内导体、金属短截线、短路枝节，在下层介质层上表面镀铜以形成底层金属导体，同时将环形槽蚀刻于底层金属导体上，将上、下两层介质层以及中间粘合层层压成型，最后在金属化通孔以及金属化盲孔对应位置钻孔，通过孔间镀铜实现电气连接。
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