CN201975515U

CN201975515U - 用于频分复用系统的基片集成波导滤波天线

Info

Publication number: CN201975515U
Application number: CN2011200781224U
Authority: CN
Inventors: 洪伟; 余晨; 周健义
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-03-23
Filing date: 2011-03-23
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2021-03-23

Abstract

本实用新型是一种用于频分复用系统的基片集成波导滤波天线，该天线为三层结构，中间是介质层，正面是上金属层，背面是下金属层，外形为长方形；在上金属层的一端连接有微带渐变线（2），通过微带渐变线（2）的另一端与微带线（1）相连接；在上金属层与下金属层之间穿过介质层连接有金属化通孔（3），该金属化通孔（3）沿该天线周边设置，在微带渐变线（2）的一侧不设置金属化通孔（3）；在金属化通孔（3）围成的区域内靠近微带渐变线（2）的一段为SIW滤波器（5），在SIW滤波器（5）中设有由金属化通孔（3）构成的SIW感性窗口滤波器的耦合窗口；在金属化通孔（3）围成的区域内的另一段为SIW缝隙辐射单元（4），在SIW缝隙辐射单元（4）中，沿该滤波天线的中心线两侧交替设有缝隙槽。

Description

用于频分复用系统的基片集成波导滤波天线

技术领域

本实用新型属于通信技术应用领域，具体涉及一种用于FDD（频分复用）系统的收、发通道天线。基片集成波导滤波天线，基于基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide，SIW）技术，将SIW滤波器与SIW缝隙辐射单元联合设计，可以很好的滤除工作频带外杂散信号。工作在相邻频率的SIW滤波天线，具有良好的隔离度，可以用于FDD系统的收、发通道天线。

背景技术

近年来，无线通信技术得到了快速发展并获得了广泛应用。越来越多的通信系统要求低成本、易制作、易于和其它微波射频平面电路集成的天线。高频段、全向辐射、易制作、易集成的天线是目前的研究热点之一。基片集成波导作为一种平面电路，具有结构封闭，损耗小、寄生辐射弱的特点，适合高频段通信系统。

常见的辐射振子，如偶极子单元，单个辐射单元的增益有限，为提高辐射增益，可将多个辐射单元组成阵列，但同一个阵列中的辐射单元数目越多，馈电网络就越复杂。随着频率的提高，比如在Ku波段，复杂的馈电网络又会带来损耗大，寄生辐射强等问题。

SIW缝隙辐射单元，是在SIW表面金属上开缝，形成辐射单元，可在一个SIW上，将多个缝隙组成阵列，无需添加额外的功率分配电路，即可有效地提高天线的辐射增益，它损耗小、寄生辐射弱、制作简单、成本低廉，具有实际的应用价值，特别适合高频段通信系统。

FDD系统（频分复用系统，接收和发送信道工作在不同频率）中，射频电路通过双工器和天线连接，用来隔离收、发通道信号，天线和双工器分开设计、再集成，二者间需要加入连接线，这些连接线会给整个系统带来不同程度的损耗、降低天线的工作效率。

发明内容

技术问题： 本实用新型提出一种用于频分复用系统的基片集成波导滤波天线，该天线工作在Ku波段、可用于FDD系统。

技术方案：本实用新型中用于FDD系统收、发通道的SIW滤波天线系统，工作在Ku波段。单个天线的辐射部分采用SIW缝隙作为辐射单元，多个SIW缝隙组合形成阵列，以提高天线辐射增益。单个天线的滤波器部分采用SIW滤波器。SIW滤波天线对于工作频带外信号具有良好的抑制效果，工作在相邻频率的SIW滤波天线将具有良好的隔离性能，可用作FDD系统的收、发通道天线。基于SIW技术的滤波天线是一种平面结构，可将工作在相邻频带的SIW滤波天线集成、制作在同一块介质板上，实现收、发天线的集成。

用于频分复用系统的基片集成波导滤波天线为三层结构，中间是介质层，正面是上金属层，背面是下金属层，外形为长方形；在上金属层的一端连接有微带渐变线，通过微带渐变线的另一端与微带线相连接；在上金属层与下金属层之间穿过介质层连接有金属化通孔，该金属化通孔沿该天线周边设置，在微带渐变线的一侧不设置金属化通孔；在金属化通孔围成的区域内靠近微带渐变线的一段为SIW滤波器，在SIW滤波器中设有由金属化通孔构成的SIW感性窗口滤波器的耦合窗口；在金属化通孔围成的区域内的另一段为SIW缝隙辐射单元，在SIW缝隙辐射单元中，沿该滤波天线的中心线两侧交替设有缝隙槽。

SIW感性窗口滤波器的耦合窗口的第一个宽度是FW1，第二个宽度是FW2，第三个宽度是FW2，第四个宽度是FW1，SIW感性窗口滤波器的耦合窗口的第一个长度是FL0，第二个长度是FL1，第三个长度是FL2。

基于SIW技术的滤波器和SIW缝隙辐射单元集成在一个SIW传输线内串联工作。采用2个或2个以上的所述天线组成滤波天线阵列。

有益效果： 本实用新型基于SIW技术的滤波器和SIW缝隙辐射阵列的联合设计，将SIW滤波器和SIW缝隙辐射单元集成在同一个SIW中，设计出SIW滤波天线。SIW滤波器和SIW辐射单元协同工作，只有通过SIW滤波器的信号才能激励SIW辐射单元。SIW损耗小、寄生辐射极低、呈平面结构、易于采用标准PCB工艺加工，SIW滤波天线结构简单、易于采用标准PCB工艺加工、易与其他微波射频电路集成。

SIW滤波天线，可以很好的滤除工作频带外杂散信号，因此工作在相邻频带上的SIW滤波天线之间信号串扰将极小，隔离效果良好，可用于FDD系统的收、发通道天线。实现了天线与射频前端的一体化设计，避免了二者之间连接线带来的损耗。

同时SIW滤波天线是一种平面天线，工作在相邻频带的SIW滤波天线可以集成在同一块介质板上，实现收、发天线的集成。

Ku频段的平面天线，开放线型的馈电网络在这个频段上损耗较大，并带来较大的寄生辐射，影响天线性能，基于SIW技术设计的Ku波段缝隙辐射天线损耗小，寄生辐射弱；SIW缝隙辐射单元在组成阵列时无需添加其他功率分配网络，简化了设计步骤，制作方便、损耗较低。

Ku波段的SIW滤波天线，可以很好的抑制工作频带外杂散信号，但是不改变辐射部分的辐射方向图。

工作在相邻频带的SIW滤波天线，相互间隔离度良好，可以用作FDD系统的收、发通道天线。

SIW滤波天线为平面结构，相邻频带的收、发天线可以集成在一块介质版上。两个天线之间留出一定的空气距离，以保证单个天线的辐射方向图不变。

Ku波段的SIW滤波天线及其系统结构简单，可以全部采用成熟的标准PCB（印刷电路板）工艺制作，成本低，容易批量生产，馈电网络为封闭结构因而辐射小，隔离和抗干扰能力强，容易与其它平面微波射频电路集成。

附图说明

图1为Ku波段基片集成波导滤波天线上表面金属层结构示意图；

图2为Ku波段基片集成波导滤波天线下表面金属层结构示意图；

图3为用于FDD系统收、发信道的SIW滤波天线上表面结构图；两个天线之间留有一定的空气间距，只在微带线部分介质板相连，图中distance=40mm；

图4 实施例中工作在13.6GHz附近的SIW滤波天线输入端反射系数测试结果和相同辐射单元的全向天线输入端反射系数测试结果；

图5 实施例中工作在14.4GHz附近的SIW滤波天线输入端反射系数测试结果和相同辐射单元的全向天线输入端反射系数测试结果；

图6 实施例中滤波天线收、发信道隔离度，一个天线发送，一个天线接收；

图7 实施例中收、发滤波天线实测方向图。

图中，1.微带线，2.微带渐变线，3.金属化通孔，4.SIW缝隙辐射单元，5.SIW滤波器，6.工作在13.6GHz附近的SIW滤波天线，7.工作在14.4GHz附近的SIW滤波天线，8.介质板连接部分。

具体实施方式

Ku波段基片集成波导滤波天线，是将SIW缝隙辐射单元和SIW滤波器联合设计、制作在一个SIW传输线中；实施例中，辐射部分采用SIW双面对称缝隙（即在SIW的上、下表面金属对称开缝，每个缝隙相对于SIW的中心线有相同偏移，每个缝隙的长、宽均相同），共八对缝隙形成阵列；实施例中，滤波器部分采用SIW三阶感性窗口滤波器。

该天线为三层结构，中间是介质层，正面是上金属层，背面是下金属层，外形为长方形；在上金属层的一端连接有微带渐变线2，通过微带渐变线2的另一端与微带线1相连接；在上金属层与下金属层之间穿过介质层连接有金属化通孔3，该金属化通孔3沿该天线周边设置，在微带渐变线2的一侧不设置金属化通孔3；在金属化通孔3围成的区域内靠近微带渐变线2的一段为SIW滤波器5，在SIW滤波器5中设有由金属化通孔3构成的SIW感性窗口滤波器的耦合窗口；在金属化通孔3围成的区域内的另一段为SIW缝隙辐射单元4，在SIW缝隙辐射单元4中，沿该滤波天线的中心线两侧交替设有缝隙槽。SIW感性窗口滤波器的耦合窗口的第一个宽度是FW1，第二个宽度是FW2，第三个宽度是FW2，第四个宽度是FW1， SIW感性窗口滤波器的耦合窗口的第一个长度是FL0，第二个长度是FL1，第三个长度是FL2。可采用2个或2个以上的所述天线组成滤波天线阵列。

图1中是Ku波段基片集成波导滤波天线上表面金属结构示意图；图2中是Ku波段基片集成波导滤波天线下表面金属结构示意图。

实施例中，如图1和图2，单个SIW滤波天线采用50欧姆微带线作为馈电端口，50欧姆微带线输入端口和基片集成波导之间通过微带渐变线2连接，基片集成波导由两排金属化通孔3构成，4是上金属表面和下金属表面上的开缝，SIW滤波器5和SIW缝隙辐射单元6集成在一个SIW传输线中。通过优化天线宽度，实现天线的E面全向辐射特性。

如图3所示，工作在相邻频率的SIW滤波天线，都是平面天线，可以集成在一块介质板上，7是工作在13.6GHz附近的SIW滤波天线，8是工作在14.4GHz附近的SIW滤波天线，9是介质板连接部分。为保持两个天线的全向辐射特性不变，两个天线之间留有空气间隙。

按照图1、图2和图3中的结构制作了工作在13.6GHz附近和14.4GHz附近的Ku波段SIW滤波天线以及收、发滤波天线系统。天线采用PCB工艺制作在介质基片上。介质基片采用了厚度为0.5mm的介电常数为2.65的Taconic（泰康尼克）作为介质板。实施例按以下尺寸在上述基片上制作：工作在13.6GHz附近的滤波天线中：fl0=10mm；fl1=9.2mm；fl2=10mm；fw1=5.19mm；fw2=3.24mm；单个基片集成波导天线宽度为20mm；msw=1.38mm；msl=2mm；taperw=2.2mm；taperl=5mm；金属化通孔的直径为0.3mm；同一排金属化通孔上两通孔间距为1mm；D1=6.16mm；相邻两缝隙靠近端垂直间距为2.13mm；D3=1.05mm；x=0.1mm；缝隙宽度为0.1mm；缝隙长度为8.06mm；两排金属化通孔中心线间距为9.8mm；实施例中工作在14.4GHz附近的滤波天线中：fl0=9.27mm；fl1=8.43mm；fl2=9.27mm；fw1=5.18mm；fw2=3.24mm；单个基片集成波导天线宽度为20mm；msw=1.38mm；msl=2mm；taperw=2.2mm；taperl=5mm；金属化通孔的直径为0.3mm；同一排金属化通孔上两通孔间距为1mm；D1=5.75mm；相邻两缝隙靠近端垂直间距为1.99mm；D3=1mm；x=0.1mm；缝隙宽度为0.1mm；缝隙长度为7.52mm；两排金属化通孔中心线间距为9.4mm。

图4为实施例中工作在13.6GHz附近的滤波天线输入端反射系数测试结果和采用相同SIW缝隙辐射单元并且没有集成SIW滤波器的天线（采用同样馈电方式）输入端反射系数测试结果；图5为实施例中工作在14.4GHz附近的滤波天线输入端反射系数测试结果和相同辐射单元的全向天线输入端反射系数测试结果；图6为实施例中滤波天线收、发信道隔离度；图7为实施例中收、发滤波天线实测方向图。

Claims

1. 一种用于频分复用系统的基片集成波导滤波天线，其特征在于该天线为三层结构，中间是介质层，正面是上金属层，背面是下金属层，外形为长方形；在上金属层的一端连接有微带渐变线（2），通过微带渐变线（2）的另一端与微带线（1）相连接；在上金属层与下金属层之间穿过介质层连接有金属化通孔（3），该金属化通孔（3）沿该天线周边设置，在微带渐变线（2）的一侧不设置金属化通孔（3）；在金属化通孔（3）围成的区域内靠近微带渐变线（2）的一段为SIW滤波器（5），在SIW滤波器（5）中设有由金属化通孔（3）构成的SIW感性窗口滤波器的耦合窗口；在金属化通孔（3）围成的区域内的另一段为SIW缝隙辐射单元（4），在SIW缝隙辐射单元（4）中，沿该滤波天线的中心线两侧交替设有缝隙槽。

2.根据权利要求1所述的用于频分复用系统的基片集成波导滤波天线，其特征在于采用2个或2个以上的所述天线组成滤波天线阵列。

3.根据权利要求1所述的用于频分复用系统的基片集成波导滤波天线，其特征在于 SIW感性窗口滤波器的耦合窗口的第一个宽度是FW1，第二个宽度是FW2，第三个宽度是FW2，第四个宽度是FW1。

4.根据权利要求1所述的用于频分复用系统的基片集成波导滤波天线，其特征在于 SIW感性窗口滤波器的耦合窗口的第一个长度是FL0，第二个长度是FL1，第三个长度是FL2。