CN220873857U - 低旁瓣小型化基片集成波导滤波喇叭天线及无线通信设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种低旁瓣小型化基片集成波导滤波喇叭天线及无线通信设备，包括介质基板，介质基板向喇叭口径前端延伸一段距离；喇叭口径前端的介质基板上从喇叭口径处开始向前依次设有四组金属条带，先后顺序分别为一组矩形金属条带和三组梯形渐变金属条带；在喇叭扩口部分嵌入一个基于基片集成波导的梯形双模谐振腔，用于在通带的上边带和下边带引入两个辐射零点，实现滤波特性，即射频前端小型化，梯形双模谐振腔内部设置一个微扰金属柱，用于调节谐振频率；在喇叭扩口部分内部的H面金属壁上嵌入多组慢波金属柱，用于实现增益性能的恢复和提升及H面低旁瓣的特性。本实用新型可同时实现低旁瓣、滤波以及小型化的性能。
Description
技术领域
本实用新型涉及天线的技术领域，尤其是指一种低旁瓣小型化基片集成波导滤波喇叭天线及无线通信设备。
背景技术
喇叭天线广泛应用于通信系统、雷达、成像、射电天文学等领域。3D喇叭天线虽然可以用于上述系统，但通常体积大、价格昂贵，且不容易与系统中的其他部件和设备集成。基片集成波导技术提供了一种利用PCB设计过程或其他制造技术来实现喇叭天线的有前途的方法，为设计和实现大规模的平面基片集成电路提供了可能。
实用新型内容
本实用新型的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种低旁瓣小型化基片集成波导滤波喇叭天线，该天线通过在喇叭结构内嵌入梯形双模谐振腔，将滤波性能集成到天线中，同时实现滤波和辐射，实现射频前端小型化；通过在H面金属壁中嵌入慢波金属柱，实现增益性能的恢复和提升，以及H面低旁瓣的特性。该天线最终同时实现了低旁瓣、滤波以及小型化的性能。
本实用新型的第二目的在于提供一种无线通信设备。
本实用新型的第一目的通过下述技术方案实现：低旁瓣小型化基片集成波导滤波喇叭天线，包括介质基板，且介质基板向喇叭口径前端延伸一段距离，用于提高增益；喇叭口径前端的介质基板上从喇叭口径处开始向前依次设置有四组金属条带，先后顺序分别为一组矩形金属条带和三组梯形渐变金属条带，用于改善阻抗匹配；在喇叭扩口部分嵌入一个基于基片集成波导的梯形双模谐振腔，用于在通带的上边带和下边带引入两个辐射零点，实现滤波特性，即射频前端小型化，梯形双模谐振腔内部设置一个微扰金属柱，用于调节谐振频率；在喇叭扩口部分内部的H面金属壁上嵌入多组慢波金属柱，用于实现增益性能的恢复和提升以及H面低旁瓣的特性。
进一步，所述矩形金属条带为一对关于介质基板对称的矩形贴片，所述矩形贴片与喇叭口径之间预留缝隙；所述梯形渐变金属条带由关于介质基板对称的两排梯形贴片构成，每排由尺寸一致的多块梯形贴片等距间隔并排而成；在四组金属条带中，两两金属条带之间的缝隙宽度向前依次增大，所述矩形贴片和梯形贴片的长度一致，所述梯形贴片的宽度从第二组金属条带的梯形贴片下底边的预设位置开始到第四组金属条带的梯形贴片上底边的预设位置为止渐变小。
进一步，每组慢波金属柱由上下对称的两排金属柱构成，该两排金属柱分别从介质基板的上下表面嵌入，相邻金属柱保持间距，多组慢波金属柱中每排金属柱的金属柱数目不一定相同。
进一步，所述梯形双模谐振腔的下底边比上底边宽。
进一步，所述基片集成波导包括设置于介质基板上下的金属表面和介质基板中的金属通孔，上、下金属表面用于构成基片集成波导的宽边，金属通孔分别与上、下金属表面相连，构成基片集成波导的窄边，金属通孔的高度设置为介质基板的厚度。
进一步，还包括馈电探针，设置在梯形双模谐振腔的一侧。
进一步，所述馈电探针的高度为1.5-2.5mm，半径为0.2-0.4mm。
本实用新型的第二目的通过下述技术方案实现：无线通信设备，包括上述的低旁瓣小型化基片集成波导滤波喇叭天线。
本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本实用新型天线通过在喇叭结构内嵌入梯形双模谐振腔，将滤波性能集成到天线中，同时实现滤波和辐射，实现射频前端小型化；通过将喇叭天线扩口部分的纵向长度减小约57％，可实现天线的纵向小型化；通过在H面金属壁中嵌入慢波金属柱，实现增益性能的恢复和提升，以及H面低旁瓣的特性。本实用新型天线通过馈电探针进行馈电，最终同时实现了低旁瓣、滤波以及小型化的性能。
2、本实用新型天线采用梯形双模谐振腔和慢波金属柱加载，在增益曲线的14.2和18.48GHz处，引入了增益低于-48和-31dBi的两个辐射零点。在通带内实现了小于-20dB的H面低旁瓣。16GHz的H面旁瓣电平可达-39.9dB。通带内增益为8.37-10.72dBi，前后比大于20dB。同时实现低旁瓣、滤波以及小型化。
附图说明
图1为本实用新型实施例的低旁瓣小型化基片集成波导滤波喇叭天线的结构示意图。
图2为本实用新型实施例的低旁瓣小型化基片集成波导滤波喇叭天线的俯视图。
图3为本实用新型实施例的低旁瓣小型化基片集成波导滤波喇叭天线的仰视图。
图4为本实用新型实施例的低旁瓣小型化基片集成波导滤波喇叭天线的侧视图。
图5为本实用新型实施例的低旁瓣小型化基片集成波导滤波喇叭天线在15.5GHz的E面辐射场方向图。
图6为本实用新型实施例的低旁瓣小型化基片集成波导滤波喇叭天线在15.5GHz的H面辐射场方向图。
图7为本实用新型实施例的低旁瓣小型化基片集成波导滤波喇叭天线在16GHz的E面辐射场方向图。
图8为本实用新型实施例的低旁瓣小型化基片集成波导滤波喇叭天线在16GHz的H面辐射场方向图。
图9为本实用新型实施例的低旁瓣小型化基片集成波导滤波喇叭天线在16.5GHz的E面辐射场方向图。
图10为本实用新型实施例的低旁瓣小型化基片集成波导滤波喇叭天线在16.5GHz的H面辐射场方向图。
图11为本实用新型实施例的低旁瓣小型化基片集成波导滤波喇叭天线的S参数图。
图12为本实用新型实施例的低旁瓣小型化基片集成波导滤波喇叭天线的增益曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。
实施例1
由于基片集成波导(SIW)H平面喇叭天线具有体积小、易于集成和制造工艺简单的优点，在毫米波通信应用中具有竞争力。而随着对射频前端集成要求的不断提高，SIW喇叭天线也朝着更加紧凑的方向发展。一方面，多功能天线的研究变得越来越普遍，已经提出了滤波SIW H平面喇叭天线。另一方面，在固定的喇叭孔径下直接缩短喇叭长度，再通过幅度和相位调整改善变差的天线性能得到改善。喇叭长度直接缩短后，增益往往降低，旁瓣显著增加。然而，许多应用需要足够低的旁瓣电平(SLL)来避免旁瓣方向上的干扰。许多研究已经成功地改善了缩短喇叭天线的性能，但大多数天线具有高旁瓣，不能实现小于-20dB的SLL。据所知，文献中还没有关于H平面喇叭天线同时实现滤波功能、H平面旁瓣抑制和纵向小型化的研究。因此，本实施例提供了一种低旁瓣小型化基片集成波导滤波喇叭天线。
如图1至图4所示，本实施例所提供的低旁瓣小型化基片集成波导滤波喇叭天线，能够应用于无线通信设备中，该天线包括介质基板12，且介质基板12向喇叭口径前端延伸一段距离，用于提高增益；喇叭口径前端的介质基板上从喇叭口径处开始向前依次设置有四组金属条带，先后顺序分别为一组矩形金属条带1和三组梯形渐变金属条带2、3、4，用于改善阻抗匹配；在喇叭扩口部分嵌入一个基于基片集成波导的梯形双模谐振腔5，用于在通带的上边带和下边带引入两个辐射零点，实现滤波特性，即射频前端小型化，梯形双模谐振腔5内部设置一个微扰金属柱6，用于调节谐振频率；在喇叭扩口部分内部的H面金属壁上嵌入五组慢波金属柱7、8、9、10、11，用于实现增益性能的恢复和提升以及H面低旁瓣的特性；天线采用馈电探针13馈电，设置在梯形双模谐振腔5的一侧。
具体地，矩形金属条带1为一对关于介质基板对称的矩形贴片，矩形贴片长度为0.5mm、宽度为40mm，与喇叭口径之间的缝隙宽度为0.1mm；梯形渐变金属条带2、3、4由关于介质基板对称的两排梯形贴片构成，每排由尺寸一致的12块梯形贴片构成，相邻梯形贴片之间的间距为3.2mm；在四组金属条带中，两两金属条带之间的缝隙宽度分别为0.5mm、0.6mm、0.9mm，梯形贴片的长度均为0.5mm，梯形贴片的宽度从第二组金属条带2的梯形贴片下底边的3mm开始到第四组金属条带4的梯形贴片上底边的1.7mm为止渐变较小。
具体地，每组慢波金属柱由上下对称的两排金属柱构成，该两排金属柱分别从介质基板12的上下表面嵌入，金属柱直径为0.5mm，相邻金属柱间距为0.8mm，五组慢波金属柱7、8、9、10、11中每排金属柱的金属柱数目分别为2、4、8、4、2。
具体地，梯形双模谐振腔5的上底边宽度为10.5mm，下底边宽度为18.4mm，高为14.6mm，其内部设置的微扰金属柱6直径为0.8mm。
具体地，所述基片集成波导包括设置于介质基板上下的金属表面和介质基板中的金属通孔，上、下金属表面用于构成基片集成波导的宽边，金属通孔分别与上、下金属表面相连，构成基片集成波导的窄边，金属通孔的高度设置为介质基板的厚度，金属通孔的直径为0.5mm，相邻两个金属通孔的圆心之间的间距为0.8mm。
具体地，馈电探针13的波导宽度为10.5mm，高度为1.5-2.5mm，半径为0.2-0.4mm。
具体地，介质基板12采用Rogers RT 5880，其介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，介质基板12的总厚度为1.524mm，单层厚度为0.508mm，共三层。
本实施例通过在滤波喇叭天线的口径前端加载矩形金属条带和梯形渐变金属条带改善喇叭口径和自由空间之间的阻抗匹配，通过在喇叭中嵌入梯形双模谐振腔，在通带上下引入两个辐射零点，实现滤波和辐射功能的集成，通过直接缩小喇叭扩口部分长度(纵向长度减小约57％)实现纵向小型化，并通过在喇叭的H面金属壁中嵌入慢波金属柱，实现增益性能的恢复和提升，以及H面低旁瓣的特性。本实施例同时实现了低旁瓣、滤波以及小型化的性能。
图5和图6为本实施例上述低旁瓣小型化基片集成波导滤波喇叭天线在15.5GHz的E面辐射场方向图和H面辐射场方向图，从图中可以看到，在该频点天线的H面旁瓣电平低于-34dB，前后比大于20dB，交叉极化小于-30dB。
图7和图8为本实施例上述低旁瓣小型化基片集成波导滤波喇叭天线在16GHz的E面辐射场方向图和H面辐射场方向图，从图中可以看到，在该频点天线的H面旁瓣电平低于-39dB，前后比大于20dB，交叉极化小于-30dB。
图9和图10为本实施例上述低旁瓣小型化基片集成波导滤波喇叭天线在16.5GHz的E面辐射场方向图和H面辐射场方向图，从图中可以看到，在该频点天线的H面旁瓣电平低于-20dB，前后比大于20dB，交叉极化小于-40dB。
图11为本实施例上述低旁瓣小型化基片集成波导滤波喇叭天线的S参数仿真曲线图，从图中可以看到，该天线的阻抗带宽约为7.6％(15.45-16.68GHz)。
图12为本实施例上述低旁瓣小型化基片集成波导滤波喇叭天线的增益仿真曲线图，从图中可以看到，在14.2和18.48GHz处有两个辐射零点，增益分别低于-48和-31dBi。通带内实现的增益为8.37-10.72dBi。
综上所述，本实用新型天线通过梯形双模谐振腔中两种工作模式(TE102、TE201)和带外模式(TE101)的交叉耦合，在增益曲线上引入两个辐射零点，实现滤波响应。喇叭扩口部分的纵向长度缩短了约57％。通过加载慢波金属柱来重新调整电场分布，实现了比小型化之前更高的增益和低旁瓣性能。通过在喇叭口径前加载金属条带来调整阻抗匹配。实现了带有两个辐射零点的滤波响应，两个辐射零点分别位于14.2和18.48GHz处，增益分别低于-48和-31dBi。在通带内实现了小于-20dB的H面低旁瓣。
实施例2
本实施例提供了一种无线通信设备，包括实施例1所述的低旁瓣小型化基片集成波导滤波喇叭天线。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.低旁瓣小型化基片集成波导滤波喇叭天线，其特征在于，包括介质基板，且介质基板向喇叭口径前端延伸一段距离，用于提高增益；喇叭口径前端的介质基板上从喇叭口径处开始向前依次设置有四组金属条带，先后顺序分别为一组矩形金属条带和三组梯形渐变金属条带，用于改善阻抗匹配；在喇叭扩口部分嵌入一个基于基片集成波导的梯形双模谐振腔，用于在通带的上边带和下边带引入两个辐射零点，实现滤波特性，即射频前端小型化，梯形双模谐振腔内部设置一个微扰金属柱，用于调节谐振频率；在喇叭扩口部分内部的H面金属壁上嵌入多组慢波金属柱，用于实现增益性能的恢复和提升以及H面低旁瓣的特性。
2.根据权利要求1所述的低旁瓣小型化基片集成波导滤波喇叭天线，其特征在于，所述矩形金属条带为一对关于介质基板对称的矩形贴片，所述矩形贴片与喇叭口径之间预留缝隙；所述梯形渐变金属条带由关于介质基板对称的两排梯形贴片构成，每排由尺寸一致的多块梯形贴片等距间隔并排而成；在四组金属条带中，两两金属条带之间的缝隙宽度向前依次增大，所述矩形贴片和梯形贴片的长度一致，所述梯形贴片的宽度从第二组金属条带的梯形贴片下底边的预设位置开始到第四组金属条带的梯形贴片上底边的预设位置为止渐变小。
3.根据权利要求1所述的低旁瓣小型化基片集成波导滤波喇叭天线，其特征在于，每组慢波金属柱由上下对称的两排金属柱构成，该两排金属柱分别从介质基板的上下表面嵌入，相邻金属柱保持间距，多组慢波金属柱中每排金属柱的金属柱数目不一定相同。
4.根据权利要求1所述的低旁瓣小型化基片集成波导滤波喇叭天线，其特征在于，所述梯形双模谐振腔的下底边比上底边宽。
5.根据权利要求1所述的低旁瓣小型化基片集成波导滤波喇叭天线，其特征在于，所述基片集成波导包括设置于介质基板上下的金属表面和介质基板中的金属通孔，上、下金属表面用于构成基片集成波导的宽边，金属通孔分别与上、下金属表面相连，构成基片集成波导的窄边，金属通孔的高度设置为介质基板的厚度。
6.根据权利要求1所述的低旁瓣小型化基片集成波导滤波喇叭天线，其特征在于，还包括馈电探针，设置在梯形双模谐振腔的一侧。
7.根据权利要求6所述的低旁瓣小型化基片集成波导滤波喇叭天线，其特征在于，所述馈电探针的高度为1.5-2.5mm，半径为0.2-0.4mm。
8.无线通信设备，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的低旁瓣小型化基片集成波导滤波喇叭天线。
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