CN220797044U - 基于基片集成波导双模腔体的正交极化双工滤波天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于基片集成波导双模腔体的正交极化双工滤波天线。本实用新型提供的基于基片集成波导双模腔体的正交极化双工滤波天线，其由两级谐振腔构成，第一级双模腔体作为馈电腔体，实现双工和第一级滤波的作用；第二级开细缝的单模腔体作为辐射腔体，实现天线辐射和第二级滤波的作用，通过收发缝隙天线的正交放置，实现它们之间的正交极化关系，提高了它们之间的隔离度。本实用新型将天线、双工器和滤波器一体化集成设计，不仅使天线的系统体积大为减小、重量大为减轻，还可以提高信号的传送效率同时提升系统整体的通信质量。

Description

基于基片集成波导双模腔体的正交极化双工滤波天线

技术领域

本实用新型涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于基片集成波导双模腔体的正交极化双工滤波天线。

背景技术

随着无线通信系统使用的频率的提高，其要求射频前端器件具备更小的体积和更好的性能。基片集成波导(SIW)因其成本低、易于集成、损耗低且高品质因数等优点，使其成为高性能小型化射频器件的热门结构。同时，在传统的双工通信系统中，通常是将天线、双工器和滤波器分开设计，然后通过匹配网络将它们进行连接，这样会增加整个系统的体积和重量，并且带来额外损耗从而降低系统的整体性能。将天线、滤波器和双工器进行一体化集成化设计能够实现同时接收和发射信号的功能，并且可以使系统体积减小、重量减轻，还可以提高信号的传送效率，提升系统整体的通信质量。

利用传统的裂口环谐振器和贴片天线进行无缝集成，成功实现了在两个通带内具有相同极化特性的双工滤波天线,该天线为双层结构，其利用发卡形谐振器和贴片组成一个具有双通带的双频天线，然后在发卡形谐振器的两个开路端分别级联工作在不同频率的滤波网络，最终采用两个端口分别激励滤波网络，实现具有滤波功能的双工天线。现有技术中利用矩形槽加载的双模贴片和谐振器进行集成的方法来实现大频分比的双工滤波天线，该天线为三层结构，其双模辐射贴片工作在TM₁₀和TM₃₀模式，通过在贴片上挖槽，可以控制两个模式的谐振频率，两个微带谐振器通过槽耦合激励辐射贴片，从而实现双工滤波天线的设计。

还有一种水平级联的SIW双工滤波天线，其采用单层结构，在背腔式槽天线的两端分别水平级联一个工作在基模状态的SIW腔体来实现通带具有二阶响应的双工滤波天线，该结构长度尺寸较大。现有文献中提出的双工滤波天线具有结构相对复杂或尺寸较大的问题。因此，利用基片集成波导实现结构简单、小尺寸的双工滤波天线具有十分重要的研究和应用价值。

实用新型内容

本实用新型提供一种基于基片集成波导双模腔体的正交极化双工滤波天线，用以解决现有技术中双工滤波天线具有结构相对复杂或尺寸较大的问题，达到了将天线、双工器和滤波器一体化集成设计，不仅使系统体积大为减小、重量大为减轻，还可以提高信号的传送效率，提升系统整体的通信质量的目的。

本实用新型提供一种基于基片集成波导双模腔体的正交极化双工滤波天线，包括：

介质层基板；

上层金属，印刷在所述介质层基板的上端，包括馈电腔体、第一辐射腔体和第二辐射腔体，所述第一辐射腔体和所述第二辐射腔体分别与所述馈电腔体的两相邻侧边共边，所述馈电腔体未连接辐射腔体的两侧壁固定连接有微带线；

下层金属，印刷在所述介质层基板的下端，与所述上层金属形状相同；

金属过孔，所述上层金属的侧边设置有若干金属过孔，所述共边处中间位置设置有感性窗口，所述感性窗口处不开设金属过孔，所述金属过孔为通孔。

根据本实用新型提供的基于基片集成波导双模腔体的正交极化双工滤波天线：所述介质层基板的材料为玻璃纤维环氧树脂FR4。

根据本实用新型提供的基于基片集成波导双模腔体的正交极化双工滤波天线：所述微带线与所述馈电腔体之间的过渡方式为共面波导。

根据本实用新型提供的基于基片集成波导双模腔体的正交极化双工滤波天线：所述共面波导插入所述馈电腔体的长度与所述微带线和所述馈电腔体之间的耦合强度相关。

根据本实用新型提供的基于基片集成波导双模腔体的正交极化双工滤波天线：所述第一辐射腔体和所述第二辐射腔体分别用于发射信号和接收信号，所述第一辐射腔体和所述第二辐射腔体的中间位置开设有细缝，两个所述细缝分别为水平和竖直方向，提高首发信号之间的隔离度。

根据本实用新型提供的基于基片集成波导双模腔体的正交极化双工滤波天线：所述感性窗口的大小与所述第一辐射腔体、第二辐射腔体和所述馈电腔体之间的耦合强度相关。

本实用新型产生的有益效果：

本实用新型提供的基于基片集成波导双模腔体的正交极化双工滤波天线，其由两级谐振腔构成，第一级双模腔体作为馈电腔体，实现双工和第一级滤波的作用；第二级开细缝的单模腔体作为辐射腔体，实现天线辐射和第二级滤波的作用，通过收发缝隙天线的正交放置，实现它们之间的正交极化关系，提高了它们之间的隔离度。本实用新型将天线、双工器和滤波器一体化集成设计，不仅使天线的系统体积大为减小、重量大为减轻，还可以提高信号的传送效率同时提升系统整体的通信质量。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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是本实用新型提供天线的轴测图；

图2是本实用新型提供天线中上层金属的俯视图；

图3是馈电腔体中两个正交模式电场强度的分布；

图4是本实用新型的耦合拓扑图；

图5是本实用新型的散射参数的仿真结果；

图6是本实用新型在边射方向上可实现增益的仿真结果；

图7是端口1激励时天线在3.8GHz处的方向图；

图8是端口2激励时天线在4.5GHz处的方向图；

图9是馈电腔体和辐射腔体的电场强度分布。

附图标记：

1、介质层基板；

2、上层金属；201、馈电腔体；202、辐射腔体；2021、第一辐射腔体；2022、第二辐射腔体；203、微带线；204、感应窗口；

3、金属过孔。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型实施例中的具体含义。

在本实用新型实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不针对相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

下面结合图1-图2所示的实施例，描述本实用新型的技术方案：

本实用新型提供一种基于基片集成波导双模腔体的正交极化双工滤波天线，包括：介质层基板1；上层金属2，印刷在介质层基板1的上端，包括馈电腔体201、第一辐射腔体2021和第二辐射腔体2022，第一辐射腔体2021和第二辐射腔体2022分别与馈电腔体201的两相邻侧边共边，馈电腔体201未连接辐射腔体202的两侧壁固定连接有微带线203；下层金属，印刷在介质层基板1的下端，与上层金属2形状相同；金属过孔3，上层金属2的侧边设置有若干金属过孔3，共边处中间位置设置有感性窗口，感性窗口处不开设金属过孔3，金属过孔3为通孔。

根据本实用新型提供的基于基片集成波导双模腔体的正交极化双工滤波天线：介质层基板1的材料为玻璃纤维环氧树脂FR4。

根据本实用新型提供的基于基片集成波导双模腔体的正交极化双工滤波天线：微带线203与馈电腔体201之间的过渡方式为共面波导。

根据本实用新型提供的基于基片集成波导双模腔体的正交极化双工滤波天线：共面波导插入馈电腔体201的长度与微带线203和馈电腔体201之间的耦合强度相关。

根据本实用新型提供的基于基片集成波导双模腔体的正交极化双工滤波天线：第一辐射腔体2021和第二辐射腔体2022分别用于发射信号和接收信号，第一辐射腔体2021和第二辐射腔体2022的中间位置开设有细缝，两个细缝分别为水平和竖直方向，提高首发信号之间的隔离度。

根据本实用新型提供的基于基片集成波导双模腔体的正交极化双工滤波天线：感性窗口的大小与第一辐射腔体2021、第二辐射腔体2022和馈电腔体201之间的耦合强度相关。

本实用新型采用单层基片集成波导结构，其三维结构如图1所示，上下两面为金属层，中间为介质层基板1，介质层基板1的材料为玻璃纤维环氧树脂FR4。

基于基片集成波导双模腔体的正交极化双工滤波天线中上层金属2的俯视图如图2所示，其中，上金属层和下金属层均由一个馈电腔体201和两个辐射腔体202构成。馈电腔体201为基片集成波导(SIW)双模腔体，馈电腔体201的作用是实现双工和第一级滤波；辐射腔体202为第二级开细缝的单模腔体，辐射腔体202的作用是实现天线辐射和第二级滤波。两个辐射腔体202一个用于发射信号另一个用于接收信号，分别位于馈电腔体201的长边壁和宽边壁的中心位置区域。

微带线203与馈电腔体201的过渡方式均采用的是共面波导的形式，可以通过控制共面波导插入馈电腔体201的长度来灵活地控制微带线203和馈电腔体201之间的耦合强度。

馈电腔体201和两个辐射腔体202之间通过共边中间处的感性窗口实现耦合，可以通过控制感性窗口的大小来控制两腔体之间的耦合强度。两个用于辐射的细缝均位于单模腔体的中间位置，分别为水平和竖直方向，从而实现极化的正交关系，并提高收发信号之间的隔离度。

对本实施例提供的基片集成波导双模腔体正交极化双工滤波天线进行仿真并分析仿真结果。

本实用新型中低频通带和高频通带是共用一个馈电腔体201，从而缩减电路的长度尺寸，达到小型化的目的，为了在共用一个馈电腔体201的同时，仍能保持两个辐射腔体202之间较好的隔离度，如图3所示，利用馈电腔体201的TE₁₂₀和TE₂₁₀两个模式的正交特性，通过设计合理的馈电区域和耦合区域，即可实现在共用一个馈电腔体201的同时，两口端口保持较好的端口隔离度。

图3给出了馈电腔体201中TE₁₂₀和TE₂₁₀模式的电场强度分布，其中图a为TE₁₂₀模式，图b为TE₂₁₀模式；图中P1和P2分别表示端口1和端口2的馈电区域，C1和C2分别表示馈电腔体201和两个辐射腔体202的耦合区域。从图3中可以看到，TE₁₂₀模式的电场强度在P1和C1两处均较强，而在P2和C2处的电场强度很弱，几乎接近于零，而TE₂₁₀模式的电场强度与TE₁₂₀模式的情况恰好相反，其在P2和C2两处较强，而在P1和C1处的电场强度很弱；因此，当把端口1置于P1处时，TE120模式能被有效激励，但TE₂₁₀模式不能被激励，通过在C1处的耦合窗口，电磁能量可以有效的耦合到高频辐射腔体202，从而形成高频通带。类似地，当把端口2置于P2处时，TE₂₁₀模式能被有效激励，但TE₁₂₀模式不能被激励，通过在C2处的的耦合窗口，电磁能量可以有效的耦合到低频辐射腔体202，从而形成低频通带。

SIW馈电腔体201在TE_mn0模式工作时，其谐振频率f_mn0可以根据腔体尺寸与模式谐振频率之间的关系计算得到，此关系为：

其中，ε_r为介质层基板的介电常数，m、n分别为沿宽度和长度方向的模式数，w_eff和l_eff为SIW馈电腔体201的等效宽度和长度，其定义如下：

假定SIW馈电腔体201的长度小于宽度(即l＜w)，通过公式(1)可以得到f₂₁₀＜f₁₂₀，由于以上两个辐射腔体202位置导致TE₂₂₀不能被有效激励，但TE₃₁₀能被激励，因此，为了避免TE₃₁₀模式对高频通带形成干扰，在设计时，通过调整SIW馈电腔体201宽度和长度的比例来使TE₃₁₀模式的谐振频率大于TE₁₂₀模式的谐振频率，也即f₂₁₀＜f₁₂₀＜f₃₁₀，其具体关系式为：

通过以上条件可以得到SIW馈电腔体201宽度与长度之比的范围为：

根据模式谐振频率的计算公式，TE₁₂₀模式与TE₂₁₀模式谐振频率之比(A)为：

将式(3)代入式(4)可以得到频比的范围：

由式(5)可知，通过改变SIW馈电腔体201的尺寸可以控制两个通带的频比，本实用新型提供的基片集成波导双模腔体正交极化双工滤波天线的两个工作频段分别位于5G的n77频段和n79频段，使用的中心频率分别为3.8GHz和4.5GHz，则其频比约为：

由此反推得到SIW馈电腔体201等效宽度与等效长度之比为：

再利用式(2)及式(1)可以等到SIW馈电腔体201的宽度与长度分别为：w＝46mm，l＝34mm；

两个辐射腔体202采用的均是工作于TE₁₁₀模式的正方形腔体，其初步尺寸可以直接根据式(1)得到：l₁＝22mm，l₂＝28mm；

本实用新型提供的基片集成波导双模腔体正交极化双工滤波天线的耦合拓扑结构如图4所示，当端口1激励时，SIW馈电腔体201中的TE₁₂₀模式被有效激励，通过感性窗口，电磁能量耦合到高频单模辐射腔体202中，激励TE₁₁₀模式，并通过细缝将电磁能量辐射到自由空间，从而形成高频通带；类似地，当端口2激励时，SIW馈电腔体201中的TE₂₁₀模式被有效激励，电磁能量通过感性窗口耦合到低频单模辐射腔体202中，激励TE₁₁₀模式，并通过细缝将电磁能量辐射到自由空间，从而形成低频通带；因此，利用SIW馈电腔体201中TE₁₂₀和TE₂₁₀模式的正交特性，采取图中的耦合拓扑结构能成功实现具有良好端口隔离度的小型化基片集成波导双模腔体正交极化双工滤波天线。

图5给出了本实用新型的反射系数和传输系数，从反射系数的结果可以看到，高频和低频两个通带内均有明显的谐振点，且在阻带范围内传输系数均接近0dB。其中低频通带-10dB的带宽范围为3.77～3.83GHz，分数带宽约为1.6％；高频通带-10dB的带宽范围为4.46～4.54GHz，分数带宽为1.8％。从传输系数的结果可以看出，两个辐射腔体202的隔离度在低频通带内超过26dB，在高频通带内超过20dB。

在图6中给出了分别激励端口1和端口2时天线在边射方向上可实现增益的仿真结果。可以看到通带1具有平坦的增益，通带2则稍差，由于滤波特性的引入，两个通带的增益曲线都具有很好的频率选择和带外抑制特性。当端口1激励时，仿真的边射方向最大可实现增益为3.83dBi，并且增益在低频带外迅速衰减至-14dBi以下；端口2激励时，边射方向的最大可实现增益为3.76dBi，增益在两侧带外均迅速衰减至-15dBi以下。

图7给出了端口1激励时天线在3.8GHz处的归一化二维方向图，其中，图a为xoz面，xoz平面为E面，图b为yoz面，yoz平面为H面。在3.8GHz处，从E面和H面的方向图可以看出，基片集成波导双模腔体正交极化双工滤波天线具有较好的边射特性，两个面均具有较低的交叉极化水平。具体地，在E面上，主极化方向图的半功率波束宽度为80.2°；在H面上，主极化方向图的半功率波束宽度为115.6°，两个面上的交叉极化水平在边射方向上均小于-20dB。基片集成波导双模腔体正交极化双工滤波天线在E面上的最大辐射方向稍偏离Z轴，这是由于有少量能量从高频通带辐射出来所致。

图8给出了端口2激励时天线在4.5GHz处的归一化二维方向图，其中，图a为yoz面，图b为xoz面。在4.5GHz处，从E面和H面的方向图可以看出，基片集成波导双模腔体正交极化双工滤波天线具有较好的边射特性，两个面均具有较低的交叉极化水平。具体地，在E面上，主极化方向图的半功率波束宽度为70.4°；在H面上，主极化方向图的半功率波束宽度为112.8°，两个面上的交叉极化水平在边射方向上均小于-20dB。同样的，基片集成波导双模腔体正交极化双工滤波天线在E面上的最大辐射方向稍偏离Z轴，这是由于有少量能量从低频通带辐射出来所致。

为了更为直观的理解基片集成波导双模腔体正交极化双工滤波天线的物理机制，图9给出了在分别激励端口1和端口2时，馈电腔体201和辐射腔体202中的电场强度分布，其中图a为端口1，图b为端口2。当端口1激励时，馈电腔体201中的TE₂₁₀模式和低频辐射腔体202的TE₁₁₀模式被有效激励，使整个基片集成波导双模腔体正交极化双工滤波天线工作在低频通带而当端口2激励时，馈电腔体201中的TE₁₂₀和低频辐射腔体202的TE₁₁₀模式被激励起来，从而使基片集成波导双模腔体正交极化双工滤波天线工作在高频通带。

表2

其中，1、2、3和4为现有技术，5为本实施例提供的基片集成波导双模腔体正交极化双工滤波天线；

表2中给出了所提出的基片集成波导SIW正交极化双工滤波天线与之前发表的相关的基片集成波导SIW双工天线在性能上的对比。从表2中可以得到，与现有技术中的不具备滤波功能的SIW双工天线的性能相比，本实施例所提供的SIW双工滤波天线在保持一个较低剖面高度下，两个通带具备正交极化关系，并且同时具有较好的辐射性能。

本实施例所提供的SIW正交极化双工滤波天线通过共用双模馈电腔体201，可以有效缩减了电路的横向尺寸，提升了两个通带内的可实现增益，并实现了两个通带的正交极化关系，进一步提高了两个通带的隔离度。

本文利用基片集成波导设计了一款正交极化双工滤波天线，其由两级谐振腔构成，第一级双模腔体作为馈电腔体201，实现双工和第一级滤波的作用；第二级开细缝的单模腔体作为辐射腔体202，实现天线辐射和第二级滤波的作用。通过收发缝隙天线的正交放置，实现它们之间的正交极化关系，提高了它们之间的隔离度。

仿真结果表明：低频通带-10dB的带宽范围为3.77～3.83GHz，分数带宽约为1.6％；高频通带-10dB的带宽范围为4.46～4.54GHz，分数带宽为1.8％。两个端口之间的隔离度在低频通带内超过26dB，在高频通带内超过20dB。两个通带的增益曲线都具有很好的频率选择和带外抑制特性，天线在两个中心频率处均具有很好的边射特性及较低的交叉极化水平。本实用新型将天线、双工器和滤波器一体化集成设计，不仅使系统体积大为减小、重量大为减轻，还可以提高信号的传送效率，提升系统整体的通信质量，具有一定的研究应用价值。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种基于基片集成波导双模腔体的正交极化双工滤波天线，其特征在于，包括：

介质层基板(1)；

上层金属(2)，印刷在所述介质层基板(1)的上端，包括馈电腔体(201)、第一辐射腔体(2021)和第二辐射腔体(2022)，所述第一辐射腔体(2021)和所述第二辐射腔体(2022)分别与所述馈电腔体(201)的两相邻侧边共边，所述馈电腔体(201)未连接辐射腔体(202)的两侧壁固定连接有微带线(203)；

下层金属，印刷在所述介质层基板(1)的下端，与所述上层金属(2)形状相同；

金属过孔(3)，所述馈电腔体(201)、第一辐射腔体(2021)和第二辐射腔体(2022)的侧边设置有若干金属过孔(3)，所述共边处中间位置设置有感性窗口，所述感性窗口处不开设金属过孔(3)，所述金属过孔(3)为通孔。

2.根据权利要求1所述的基于基片集成波导双模腔体的正交极化双工滤波天线，其特征在于：所述介质层基板(1)的材料为玻璃纤维环氧树脂FR4。

3.根据权利要求1所述的基于基片集成波导双模腔体的正交极化双工滤波天线，其特征在于：所述微带线(203)与所述馈电腔体(201)之间的过渡方式为共面波导。

4.根据权利要求3所述的基于基片集成波导双模腔体的正交极化双工滤波天线，其特征在于：所述共面波导插入所述馈电腔体(201)的长度与所述微带线(203)和所述馈电腔体(201)之间的耦合强度相关。

5.根据权利要求1所述的基于基片集成波导双模腔体的正交极化双工滤波天线，其特征在于：所述第一辐射腔体(2021)和所述第二辐射腔体(2022)分别用于发射信号和接收信号，所述第一辐射腔体(2021)和所述第二辐射腔体(2022)的中间位置开设有细缝，两个所述细缝分别为水平和竖直方向，提高首发信号之间的隔离度。

6.根据权利要求1所述的基于基片集成波导双模腔体的正交极化双工滤波天线，其特征在于：所述感性窗口的大小与所述第一辐射腔体(2021)、第二辐射腔体(2022)和所述馈电腔体(201)之间的耦合强度相关。