CN112768909B - 具有滤波功能的背腔圆极化贴片天线阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有滤波功能的背腔圆极化贴片天线阵列。本发明在单层单个基片集成波导腔体中进行了天线和滤波器的一体化设计，通过引入谐振腔的TM120、TM210和微带贴片的TM10、TM01模实现了较宽的阻抗带宽。然而轴比带宽相对阻抗带宽要窄很多。因此，为了进一步拓宽天线的有效工作带宽，本发明进行了阵列设计。通过旋转顺序馈电的方式和在介质集成波导上引入二阶高通滤波器，在拓宽天线轴比带宽，提高天线增益的同时也对天线的滤波效果进行了进一步的优化。
Description
技术领域
本发明属于无线通信终端的天线技术领域，涉及一种具有滤波功能的背腔贴片圆极化天线阵列，可作为小型化无线收发机射频前端的天线，广泛应用于移动通信、卫星通信以及雷达等无线通信系统中。
背景技术
众所周知，阵列天线可用于提高天线的增益，而对于圆极化天线而言，采用旋转顺序馈电的组阵方式可有效地拓展轴比带宽。圆极化贴片天线由于其轻重量、小体积、低剖面、易集成以及能够对抗多路径干扰等显著优势在现代通信系统中有十分广泛的应用前景。然而，这类天线的轴比带宽普遍较窄，一般不超过3％。因此，将圆极化贴片天线按旋转顺序馈电的方式进行组阵可有效补足其带宽上的不足。滤波天线是近年兴起的将滤波器与天线进行一体化设计的一款多功能器件。滤波天线凭借着其结构紧凑，低损耗，高效率等优势备受研究者们的关注，近年来得到了飞速发展。然而，滤波天线相较于单一的天线结构更为复杂，这对于阵列天线的组建而言将会是一个大的挑战。目前，滤波天线的设计方法有三：直接集成、将滤波器内置到天线的馈电网络中、将滤波器与天线的辐射器进行协同设计。其中，前两种方法相较于第三种方法，存在空间占用率相对较大的问题，由此将其用于阵列天线的设计将会面临更大的挑战。事实上，目前滤波天线阵列所采用的单元多是基于第三种滤波天线单元设计方法。而在这些仅有的滤波天线阵列设计中，几乎所有的关注点都聚焦在了线极化滤波天线阵列中，故而相对的，圆极化滤波天线阵列相关的研究可以说还是一个空白。上面已经提到，具备高增益、宽带宽的圆极化滤波天线阵列在现代通信系统中有十分广泛的应用前景。因此，在这种形势下，进行圆极化滤波天线阵列相关的研究是十分有意义的。
综上所述，为了获得宽带宽、高增益以及具备滤波功能的多功能电磁波收发器件，本发明提出了具有滤波功能的背腔圆极化贴片天线阵列。本发明通过结合谐振腔和微带贴片的多个模式，赋予了天线滤波和圆极化特性。随后在此基础上进行阵列设计，显著提高了天线的增益和带宽。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种具有滤波功能的背腔圆极化贴片天线阵列，具体是在单层基片集成波导腔体中进行了天线和滤波器的一体化设计，随后将该滤波天线单元按旋转顺序馈电的方式组成2*2的天线阵列。本发明采用的天线单元结构简单，只使用了单层介质基板和单个基片集成波导谐振腔。此外，本发明提出馈电网络不仅能满足圆极化所需的90°相移，还具备高通滤波器的特性，这在拓展轴比带宽的同时也优化了天线增益在低频处滤波效果。
实现本发明目的的技术解决方案：
具有滤波功能的背腔圆极化贴片天线阵列，从下至上依次包括下层金属面M1、下层介质基板S1、中间层金属面M2、上层介质基板S2、上层金属面M3。
所述下层介质基板S1内部有一由介质集成波导(SIW)组成的十字形功率分配器；该十字形功分分配器由4个滤波结构F1-F4和4个不等长的矩形波导W1-W4组成，其中W2比W1要长，W3比W2要长，W4比W3要长，且其之间长度差相同，为八分之一个介质波长；4个不等长的矩形波导W1-W4靠近功分分配器的中心，组成十字形；4个滤波结构F1-F4分别设置在矩形波导W1-W4外侧。
所述功率分配器的中心与介质基板S1的中心重合，且在中心处设有一镂空圆柱FW。4个矩形波导W1-W4交界处均向中心延伸有一排贯穿介质基板S1的金属柱阵列Fc。
所述金属柱阵列Fc由多个尺寸完全相同的金属柱等间距构成；金属柱阵列F1与矩形波导的夹角为45°。
所述上层介质基板S2内部设有4个SIW腔体Ca1-Ca4，两个相邻SIW腔体的边界重合，即两两共用一排金属通孔壁。4个SIW腔体Ca1-Ca4构成“田”字形，其中心与上层介质基板S2中心重合。这四个SIW腔体Ca1-Ca4谐振在TE120/TE210模式，用于拓宽带内带宽。此外，该腔中还能激励起TE110模式和TE220模式，由这两个模式产生的辐射波将会在空间中发生抵消，从而在带外实现两个辐射零点，滤波特性由此实现。
每个SIW腔体远离中心的一角开缺口，该缺口向外各连接有一由SIW组成的不等长矩形波导W5-W8。其中W6比W5要长，W7比W6要长，W8比W7要长，且其之间长度差相同，为八分之一个介质波长。W1-W8共同构成了顺序旋转馈电网络，使得从W5到W8所连的天线单元中馈入的能量依次递减90°，以此来实现轴比带宽的拓展。4个矩形波导W5-W8的外侧各连接有一由SIW组成的滤波结构F5-F8。
作为优选，4个腔体Ca1-Ca4为正方体且尺寸完全相同，在其内部各相对放置有一对由一个或者一个以上的金属通孔组成的弧形结构V1、V2。该弧形结构用于实现简并模式TE120/TE210的分离，分离开的TE120模式和TE210模式可用于实现圆极化。
作为优选，上下层介质基板S1、S2尺寸完全相同且中心重合。
所述SIW腔体Ca1-Ca4，SIW矩形波导W1-W8，SIW滤波结构F1-F8均由周期性分布的金属化通孔阵列、介质基板、上下层金属面构成。
所述介质基板S1中的滤波结构F5-F8位于介质基板基板S2中的滤波结构F1-F4的正下面，矩形波导W5-W8位于介质基板基板S2中的矩形波导W1-W4的正下面。
作为优选，所述的滤波结构F1-F8的尺寸完全相同，且宽度与矩形波导W1-W8的宽度也相同。
所述各SIW腔体Ca1-Ca4中的弧形结构V1、V2中心与其所在的腔体的中心位于同一条直线上。
作为优选，弧形结构V1、V2紧挨着腔体的边。
作为优选，弧形结构V1靠近SIW腔体的缺口位置。
作为优选，滤波结构F1-F4与滤波结构F5-F8宽度相同。
作为优选，矩形波导W1-W4与矩形波导W5-W8一一对应，且对应的矩形波导宽度、长度相同。
作为优选，滤波结构F1-F4与矩形波导W1-W4的交界处、滤波结构F5-F8与矩形波导W5-W8的交界处位置相同。
作为优选，矩形波导W1到W4长度依次递增。
所述下层金属面M1位于下层介质基板S1的下表面，其中心有一与下层介质基板S1中心处的镂空圆柱FV同口径的圆孔。
所述中层金属面M2位于上下层介质基板S1、S2的中间，在中层金属面M2远离中心的位置蚀刻有4条矩形缝隙St1-St4；矩形缝隙St1-St4位于上述滤波结构F1-F4与矩形波导W1-W4的交界处。
作为优选，4条矩形缝隙St1-St4的尺寸完全相同。
作为优选，4条矩形缝隙St1-St4的长边关于矩形波导的中心线轴对称。
所述上层金属面M3位于上层介质基板S2的上表面；在上层金属面M3靠近中心的位置，即4个SIW腔体Ca1-Ca4的正上方，刻有四个环状的镂空辐射孔A1-A4；每个辐射孔内均由有一切边的金属贴片P1-P4；每个辐射孔四周环绕有4条矩形缝隙Sf1-Sf4，这四条矩形缝隙用于在高频区额外引入一个辐射零点，进而提高高频区的带外抑制水平。
作为优选，所述辐射孔A1-A4，金属贴片P1-P4均为正方形。
作为优选，所述辐射孔A1-A4，金属贴片P1-P4与各自所在的SIW腔体中心重合，且四边平行。
作为优选，所述环绕在辐射孔周围的4条矩形缝隙Sf1-Sf4尺寸完全相同，且与辐射孔的四边平行。
作为优选，所述的切边金属贴片P1-P4为两对边均开有一缺口的方形结构。
作为优选，所述的金属贴片P1-P4两缺口与金属贴片P1-P4中心位于同一直线上。
工作过程：
基片集成波导方形腔体Ca1-Ca4工作在TM120/TM210模式下，弧形结构V1、V2通过微扰的方式可使谐振腔C中的TM120模与TM210模发生分离。TM120模与TM210模同时激励辐射孔A1-A4时，其产生的辐射极化是正交的，而当弧形结构V1、V2的尺寸选择合适时两个正交极化的辐射波之间存在90°的相位差，此时圆极化波将会被产生。金属贴片P1-P4的一组对边上的缺口使原本简并的TM10/TM20模发生分离。当微带天线分离的TM10/TM20模靠近方形腔体分离的TM120/TM210模式，阻抗带宽和轴比带宽都能得到显著提升。方形腔体的TM110模是一个中心旋转对称的模式，该模式经由辐射孔辐射出去的能量将会在空间中抵消，从而在低频区引入一个增益零点。同样的原理，方形腔体高频区的TM220模也会在高频区产生一个辐射零点。此外，由于辐射孔与金属贴片之间的耦合影响，在临近高频工作频带的边界处也会引入一个辐射零点。另外环绕在辐射孔四边的4条缝隙会因同样的辐射相消的原理在更高频又产生一个辐射零点。
上下两层介质基板中的矩形波导是不等长的，从W1到W4、W5-W8，其长度依次递增八分之一个波导波长(以10GHz计算)。这意味着以腔体Ca1为参考点，进入腔体Ca1-Ca4中的能量的相位依次相差四分之一波长，而相邻的天线单元的摆放是正交的，因此线极化波将会被调整为圆极化波，轴比带宽由此得到拓展。此外，滤波结构F1-F8的短路端到传输缝隙St1-St4的距离为四分之一个波导波长(以8GHz计算)，因此在8GHz附近，传输缝隙St1-St4处的电流分布将几乎为零，能量无法通过缝隙向上传输。另外矩形波导的截止频率被设定在6.5GHz附近，截止频率结合上述传输零点将会产生低通的滤波器传输特性。因此，上下两层滤波结构和传输缝隙可以看做一个二阶的高通滤波器结构。天线阵列低频的滤波效果由此得到了显著提升。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1)具备较好的滤波特性：低频的干扰信号可以全部抑制，而高频有三个增益零点，这使天线在高频具备优越滤波特性。
2)结构简单：天线单元为单层单腔的平面结构，相比于现有设计中的多层或者多腔设计，其结构大大简化；阵列结构简单，易于加工，制作成本低，其尺寸、剖面都比现有的大多数腔体滤波天线小。
3)低损耗天线阵列：本发明是基于SIW设计的一款可用于毫米波频段的圆极化滤波天线阵列。基于微带技术滤波天线阵列在毫米波频段的损耗将会变大，而本发明在毫米波频段也依旧具有低损耗的优势。
4)圆极化滤波特性：纵览现有文献，鲜有基于SIW的圆极化滤波天线阵列设计发表。
5)宽带宽：利用谐振腔和微带贴片共计四种模式展宽了带宽。
6)高增益：背腔结构能够通过抑制表面波来提高增益，在此基础上阵列结构又进一步提高了增益。
附图说明
图1是本发明的立体结构分解示意图；
图2是本发明中层金属面M2与下层介质基板S1的结构示意图；
图3是本发明上层金属面M3和下层介质基板S1的结构示意图；
图4是本发明二阶高通滤波器的立体结构分解示意图；
图5是本发明滤波天线单元的立体结构分解示意图；
图6是本发明滤波天线单元的上层金属面的俯视图；
图7是本发明二阶高通滤波器的传输特性图；
图8是本发明S参数曲线的仿真图；
图9是本发明轴比曲线仿真图；
图10是本发明增益曲线的仿真图；
图11是本发明在右旋圆极化工作状态下9.1GHz处的辐射方向图的仿真图；
图12是本发明在右旋圆极化工作状态下10.0GHz处的辐射方向图的仿真图；
图13是本发明在右旋圆极化工作状态下10.9GHz处的辐射方向图的仿真图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的分析。
结合图1，图2和图3，具有滤波功能的背腔圆极化贴片天线阵列，包括两层厚度为1.575mm的Rogers5880介质基板S1、S2以及与介质基板同尺寸的下层金属面M1、中层金属面M2、上层金属面M3。
在介质基板S2中环绕有4个相邻的边长为23mm、由金属化通孔围成的基片集成波导腔体Ca1-Ca4。金属化通孔的直径为1mm，小于天线工作的中心频率所对应空气波长的十分之一。相邻两个金属化通孔的孔心距为1.5mm。腔体的一角被切除，其缺口长度为12.9m。腔体Ca1-Ca4内部各有一相对放置的弧形结构V1、V2。弧形结构V1、V2偏移缺口顺时针旋转45°。V1、V2个由三个金属柱组成，其中中心金属柱与腔体的中心在用一直线上，其到邻近的腔体边长的距离为2.3mm，两边的金属柱偏移中心金属柱1.6mm，其到邻近的腔体边长的距离为1.5mm。矩形波导W5-W8与基片集成波导腔体的缺角口相连且向外延伸一段距离。矩形波导W5-W8的宽度为16.7mm，其长度依次递增，增量为3.6mm。在矩形波导W5-W8的末端、中层金属面M1上各有一长度为8.6mm，宽度为0.8mm的传输缝隙St1-St4，其中St1到介质基板中心的距离为30mm。由传输缝隙St1-St4继续向外延伸有一矩形的滤波结构，其宽度与矩形波导相同，长度为11mm。在传输缝隙St1-St4的下方即在介质基板S1中同样有与滤波结构F5-F8以及矩形波导W5-W8方位一致的滤波结构F1-F4以及矩形波导W1-W4。滤波结构F1-F4的尺寸与滤波结构F5-F8完全相同，矩形波导W1-W4与矩形波导W5-W8类似，宽度相同，长度依次递增3.6mm。在矩形波导W1-W4四个交界点向介质基板中心延伸有四段等长的金属通孔壁。该金属通孔壁到介质基板中心的距离为7.2mm。
由图2所示，上层金属面M1中心刻有一间隙为2mm方环形缝隙P2，缝隙P2的内侧是一组对边各被切除一个边长为0.9mm的方块的方形贴片P1，方形贴片P1的边长为8.1mm。环形缝隙P2、微带贴片P1关于介质基板S旋转45°且与介质基板S中心重合。在上层金属面还刻有两个关于介质基板中心旋转对称的长方形缝隙S1、S2，其长度为5.3mm，宽度为1mm，与基片集成波导腔体边缘的距离为1.5mm。长方形缝隙S1、S2与微带贴片P1的一组未切边的边平行且关于介质基板的两条对角线对称。
图4是本发明二阶高通滤波器的立体结构分解示意图；
由图3、图5和图6所示，上层金属面M3上镂空有四个边长为11.8mm的方形孔径A1-A4。在方形孔径的内部各有一边长为7.9mm的矩形贴片P1-P4。矩形贴片P1-P4的一组对边各有一边长为0.7mm的缺口。方形孔径A1-A4各环绕有4条长度为5.9mm，宽度为1mm的滤波缝隙。该滤波缝隙到方形孔径的中心的距离为7.4mm。上述方形孔径A1-A4，金属贴片P1-P4与各自所在的SIW腔体中心重合，且四边平行。滤波缝隙与各自的方形孔径的四边平行。
具体结构几何参数如下：
其中h介质基板的厚度，Wc为基片集成波导腔体的边长，Ww基片集成波导腔体角上的缺口长度，Wg为与基片集成波导腔体相连的基片集成矩形波导的宽度，构成基片集成波导的金属化空孔的直径为d，相邻金属化空孔的孔间距为dp，dpx为弧形结构中中心金属柱到邻近腔体边长的距离，dpx1为弧形结构中中心金属柱两侧的金属柱到邻近腔体边长的距离，dpy1为弧形结构中中心金属柱两侧的金属柱偏离中心金属柱的距离，Lf为滤波结构的长度，Lp为微带贴片的边长，La为辐射孔的边长，lpc为微带贴片两对边被切除的方形切片边长，Ls和Ws为上层金属面上环绕着辐射口径的4个长方形缝隙的长度和宽度，ds为上述缝隙到基片集成波导腔体中心的距离，Lst和Wst为中层金属面上的4条传输缝隙的长度和宽度，Lb1-Lb4为上述缝隙到介质基板中心的距离。
图7为所提出的二阶高通滤波器的传输曲线，可见，该结构在低频处实现了良好抑制效果，在所需要的工作频带内|S11|<-15dB。图8～13为该具有滤波功能的背腔圆极化贴片天线阵列的仿真结果。由图8可见，该天线的-10dB|S11|为21.6％。由图9可见，该天线的3dB轴比带宽为18.8％。由图10可见，该天线的最高增益为13.1dBic，在两边的工作频带外都可以看到明显的快速滚降和良好的带外抑制效果。图10～13表明该天线在整个工作频带内都有稳定良好的定向辐射。
Claims (8)
1.具有滤波功能的背腔圆极化贴片天线阵列，可应用于毫米波频段，其特征在于从下至上依次包括下层金属面M1、下层介质基板S1、中间层金属面M2、上层介质基板S2、上层金属面M3；
所述下层介质基板S1内部有一由介质集成波导SIW组成的十字形功率分配器；该十字形功分分配器由4个滤波结构F1-F4和4个不等长的矩形波导W1-W4组成，4个不等长的矩形波导W1-W4靠近功分分配器的中心，组成十字形；4个滤波结构F1-F4分别设置在矩形波导W1-W4外侧；
所述功率分配器的中心与介质基板S1的中心重合，且在中心处设有一镂空圆柱FV；4个矩形波导W1-W4交界处均向中心延伸有一排贯穿介质基板S1的金属柱阵列Fc；
所述上层介质基板S2内部设有4个SIW腔体Ca1-Ca4，两个相邻SIW腔体的边界重合，即两两共用一排金属通孔壁；4个SIW腔体Ca1-Ca4构成“田”字形，其中心与上层介质基板S2中心重合；这四个SIW腔体Ca1-Ca4谐振在TE120/TE210模式，用于拓宽带内带宽；此外，该腔中还能激励起TE110模式和TE220模式，由这两个模式产生的辐射波将会在空间中发生抵消，从而在带外实现两个辐射零点，滤波特性由此实现；
每个SIW腔体远离中心的一角开缺口，该缺口向外各连接有一由SIW组成的不等长矩形波导W5-W8；4个矩形波导W5-W8的外侧各连接有一由SIW组成的滤波结构F5-F8；
4个腔体Ca1-Ca4为正方体且尺寸完全相同，在其内部各相对放置有一对由一个或者一个以上的金属通孔组成的弧形结构V1、V2；该弧形结构用于实现简并模式TE120/TE210的分离，分离开的TE120模式和TE210模式可用于实现圆极化；各SIW腔体Ca1-Ca4中的弧形结构V1、V2中心与其所在的腔体的中心位于同一条直线上；弧形结构V1、V2紧挨着腔体的边；弧形结构V1靠近SIW腔体的缺口位置；
所述下层金属面M1位于下层介质基板S1的下表面，其中心有一与下层介质基板S1中心处的镂空圆柱FV同口径的圆孔；
所述中间层金属面M2位于上下层介质基板S1、S2的中间，在中间层金属面M2远离中心的位置蚀刻有4条矩形缝隙St1-St4；矩形缝隙St1-St4位于上述滤波结构F1-F4与矩形波导W1-W4的交界处；
所述上层金属面M3位于上层介质基板S2的上表面；在上层金属面M3靠近中心的位置，即4个SIW腔体Ca1-Ca4的正上方，刻有四个环状的镂空辐射孔A1-A4；每个辐射孔内均有一切边金属贴片P1-P4；每个辐射孔四周环绕有4条矩形缝隙Sf1-Sf4，这四条矩形缝隙用于在高频区额外引入一个辐射零点，进而提高高频区的带外抑制水平；所述的切边金属贴片P1-P4为两对边均开有一缺口的方形结构；金属贴片P1-P4两缺口与金属贴片P1-P4中心位于同一直线上。
2.根据权利要求1所述的具有滤波功能的背腔圆极化贴片天线阵列，其特征在于所述金属柱阵列Fc由多个尺寸完全相同的金属柱等间距构成；金属柱阵列Fc与矩形波导的夹角为45°。
3.根据权利要求1所述的具有滤波功能的背腔圆极化贴片天线阵列，其特征在于十字形功分分配器的4个矩形波导W1-W4的长度依次递增，且增量为八分之一个介质波长；SIW腔体Ca1-Ca4外接的4个矩形波导W5-W8长度依次递增，且增量为八分之一个介质波长；W1-W8共同构成了顺序旋转馈电网络，使得从W5到W8所连的天线单元中馈入的能量依次递减90°，以此来实现轴比带宽的拓展。
4.根据权利要求1所述的具有滤波功能的背腔圆极化贴片天线阵列，其特征在于上下层介质基板S1、S2尺寸完全相同且中心重合。
5.根据权利要求1所述的具有滤波功能的背腔圆极化贴片天线阵列，其特征在于所述SIW腔体Ca1-Ca4，SIW矩形波导W1-W8，SIW滤波结构F1-F8均由周期性分布的金属化通孔阵列、介质基板、上下层金属面构成。
6.根据权利要求1所述的具有滤波功能的背腔圆极化贴片天线阵列，其特征在于所述介质基板S1中的滤波结构F5-F8位于介质基板S2中的滤波结构F1-F4的正下面，矩形波导W5-W8位于介质基板S2中的矩形波导W1-W4的正下面；滤波结构F1-F8的尺寸完全相同，且宽度与矩形波导W1- W8的宽度也相同。
7.根据权利要求1所述的具有滤波功能的背腔圆极化贴片天线阵列，其特征在于所述辐射孔A1-A4，金属贴片P1-P4与各自所在的SIW腔体中心重合，且四边平行；所述环绕在辐射孔周围的4条矩形缝隙Sf1-Sf4尺寸完全相同，且与辐射孔的四边平行。
8.根据权利要求1所述的具有滤波功能的背腔圆极化贴片天线阵列，其特征在于上下层介质基板中的一组滤波结构F1和F5、F2和F6、F3和F7、F4和F8以及相应的传输缝隙St1-St4各组成一个二阶高通滤波器；滤波结构F1-F8的短路端到传输缝隙St1-St4的距离为四分之一个波导波长。
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