CN110247191A - 一种可控辐射零点的基片集成波导滤波缝隙天线 - Google Patents

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李鹏凯
焦卓凡
姚聪
杨远望
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Abstract

本发明涉及一种可控辐射零点的基片集成波导滤波缝隙天线，包括一个单层的基片集成波导腔体，沿着腔体中线的四个金属柱，一条长横缝和一个垂直的SMA连接器。四个金属柱将空腔分成两个TE110模式，横缝既产生辐射，又将其中一个TE110模谐振器分成两个半模谐振器，通过三个谐振器和槽之间的耦合实现带通滤波性能。辐射零点出现在距离腔的短壁约四分之一相位波长的频率处，通过改变横缝的位置，可以控制辐射零点的频率。

Description

一种可控辐射零点的基片集成波导滤波缝隙天线
技术领域
本发明涉及微波天线领域，具体涉及一种可控辐射零点的基片集成波导滤波缝隙天线。
背景技术
现代的无线通信要求射频前端***具有紧凑、轻量化、低成本、高效率、多功能的性能。但在大多数射频前端，作为两个关键部件的带通滤波器和天线通常分别设计并通过50Ω或75Ω传输线连接，这不仅增加了体积，而且可能由于互连引起的失配和额外的***损耗而降低带内性能。为解决这一问题，提出了滤波天线的概念，即将滤波器和天线集成到同一个器件以减小尺寸和损耗。
滤波天线的实现，目前已存在多种方法，例如使用天线辐射器来代替滤波器的最后级谐振器或者将额外的谐振器与辐射器合并在一起，但存在体积大的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的体积大的问题。提供了一种新的可控辐射零点的基片集成波导滤波缝隙天线，该滤波天线具有低的额外***损耗、高的总效率、可控的辐射零点频率及高的边带选择性。
为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：
所述可控辐射零点的基片集成波导滤波缝隙天线包括单层基片集成波导腔体、金属柱、长横缝和对外连接件；
所述金属柱沿着腔体的中线设置，将单层基片集成波导腔体分割为两部分，从而将其分成两个TE110模谐振器；在其中一部分横向设置长缝，另一部分设置有馈电的对外连接件；长横缝将所在的TE110模谐振器分成两个半模谐振器。
本发明的工作原理：本发明的的长横缝是基片集成波导宽壁上的非谐振横向缝隙，长横缝的末端被缩短，并在此基础上构造一个利用对外连接件进行垂直馈电的基片集成波导腔体。金属柱沿腔体的中线放置，将空腔分成两个TE110模式，横缝既泄露能量产生辐射，又将其中一个TE110模谐振器分成两个半模谐振器，通过三个谐振器和槽之间的耦合实现带通滤波性能。辐射零点出现在距离腔的短壁约四分之一相位波长的频率处，通过设置天线的参数，可以控制辐射零点的频率。
在上述方案中，为了进一步的优化，所述单层基片集成波导腔体由在边沿竖直设置的金属孔围合而成。
进一步地，所述金属柱数量为4。
进一步地，所述对外连接件为SMA连接器。
进一步地，所述单层基片集成波导腔体的基片材料为F4B-2，厚度为6mm，相对介电常数为2.485，损耗角正切为0.0018；
进一步地，在带有左边带辐射零点的天线中，所述单层基片集成波导腔体宽度为49mm，长度为51mm；四个金属柱的直径为2mm，相邻金属柱的间隔为9.1mm；SMA连接器距单层基片集成波导腔体边缘的距离为4.8mm；长横缝的长度为28.7mm，宽度为4.2mm，距单层基片集成波导腔体边缘的距离为13.2mm。
进一步地，在带有右边带辐射零点的天线中，所述单层基片集成波导腔体的基片材料为F4B-2，厚度为6mm，相对介电常数为2.485，损耗角正切为0.0018；单层基片集成波导腔体的宽度为49mm，长度为51mm；四个金属柱的直径为2mm，相邻金属柱的间隔为8.5mm；SMA连接器距边缘的距离为4.3mm；长横缝的长度为30.6mm，宽度为6.9mm，距单层基片集成波导腔体边缘的距离为11.4mm。
本发明的有益效果：本发明提供一种具有可控辐射零点的基片集成波导滤波缝隙天线，该滤波天线能够很好地综合各项技术的优点，实现了低的额外***损耗、高的总效率、可控的辐射零点频率、高的边带选择性等性能。本发明中，由于横缝可以泄露能量产生辐射，因而不需要传统方法中额外的辐射单元级联滤波电路，能够有效地减小尺寸、降低损耗；引入了辐射零点，并可通过设置天线的参数控制其频率，使其靠近通带，从而可以在上边带或者下边带实现非常高的陡降斜率，能够提高边带选择性；由于天线结构具有紧凑的尺寸，减小了损耗电路的面积，进而提高了总效率。
附图说明
下面结合附图和实例对本发明进行进一步说明。
图1，具有可控辐射零点的基片集成波导滤波缝隙天线整体结构的俯视示意图。
图2，具有可控辐射零点的基片集成波导滤波缝隙天线整体结构的侧视示意图。
图3，在一个带有左边带辐射零点的天线原型(Ant-1)中，仿真和测试得到的反射系数、实际增益和总效率的对比图。
图4，在一个带有右边带辐射零点的天线原型(Ant-2)中，仿真和测试得到的反射系数、实际增益和总效率的对比图。
图5，在一个带有左边带辐射零点的天线原型(Ant-1)中，在中心频点处仿真和测试得到的E面(y-z面)和H面(x-z面)归一化辐射方向图。
图6，在一个带有右边带辐射零点的天线原型(Ant-2)中，在中心频点处仿真和测试得到的E面(y-z面)和H面(x-z面)归一化辐射方向图。
其中，单层的基片集成波导腔体-1，金属柱-2，长横缝-3，SMA连接器-4。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实例，对本发明进行进一步详细说明，但应当清楚，此处所描述的具体实例仅用于解释本发明，而不是限定本发明。
实例1
本实例提供一种可控辐射零点的基片集成波导滤波缝隙天线，所述可控辐射零点的基片集成波导滤波缝隙天线包括单层基片集成波导腔体1、金属柱2、长横缝3和对外连接件4；
所述金属柱2沿着腔体的中线设置，将单层基片集成波导腔体分割为两部分，从而将其分成两个TE110模谐振器；在其中一部分横向设置长缝3，另一部分设置有馈电的对外连接件；长横缝3将TE110模谐振器分成两个半模谐振器。
本实例中，所述单层基片集成波导腔体可由在边沿竖直设置的金属孔围合而成。
其中，所述金属柱2的数量越多，金属柱2的直径越小，其数量越少，金属柱2的横向直径越大，当金属柱2的数量为1时，为一个横向的金属柱2。本实例中金属柱2的数量取4。
具体地，所述对外连接件为SMA连接器4。
如图1、图2所示，该具有可控辐射零点的基片集成波导滤波缝隙天线包括一个单层的基片集成波导腔体1，沿着腔体中线的四个金属柱2，一条长横缝3和一个作为馈电端的垂直的SMA连接器4。
其中单层基片材料为国产泰兴微波厂的F4B-2，厚度为6mm，相对介电常数为2.485，损耗角正切为0.0018。
在一个带有左边带辐射零点的天线Ant-1中，基片集成波导的宽度为49mm，长度为51mm；四个金属柱2的直径为2mm，其间隔为9.1mm；SMA连接器4距边缘的距离为4.8mm；长横缝3的长度为28.7mm，宽度为4.2mm，距边缘的距离为13.2mm。
在一个带有右边带辐射零点的天线Ant-2中，基片集成波导的宽度为49mm，长度为51mm；四个金属柱2的直径为2mm，其间隔为8.5mm；SMA连接器44距边缘的距离为4.3mm；长横缝3的长度为30.6mm，宽度为6.9mm，距边缘的距离为11.4mm。
天线主要谐振于整个基片集成波导腔体的TE120模，通过引入四个金属柱2，将TE120模谐振器分割成了两个TE110模谐振器，非谐振的横向长缝隙又进一步将其中一个TE110模谐振器分割为两个半模的谐振器，即产生了一个TE110模的全模谐振器和两个TE110模的半模谐振器。这三个谐振器之间的耦合产生了三个谐振极点f1，f2和f3，并获得了三阶带通滤波特性，同时SMA连接器4作为馈电端。横缝不仅起到了分割全模谐振器、构建半模谐振器的作用，还同时泄漏能量产生辐射。
具有可控辐射零点的基片集成波导滤波缝隙天线引入了辐射零点，即电流零点的位置，可改善边带选择性。通过改变天线结构的参数，可以实现辐射零点频率的移动，使之更靠近通带，进一步提高边带选择性。
如图3所示，其示出了在一个带有左边带辐射零点的天线原型Ant-1中，仿真和测试得到的反射系数、实际增益和总效率的对比图。
可以看出，测试得到Ant-1的阻抗带宽为6.1％(4.29～4.56GHz)，仿真的阻抗带宽为7％(4.25～4.56GHz),两者基本一致；同时可以看出，Ant-1的平均实现增益为6.5dBi，峰值实现增益为6.7dBi，带内的增益相对比较平坦，抖动小于0.3dB。由于左边带辐射零点的引入，测试得到的左边带选择性达到266dB/GHz，带外抑制度大于27dB。由效率曲线可以看出，仿真和测试得到的效率比较一致，带内的效率比较平坦，带内峰值效率可达到93％，带外效率急剧下降到0。
如图4所示，其示出了在一个带有右边带辐射零点的天线原型Ant-2中，仿真和测试得到的反射系数、实际增益和总效率的对比图。可以看出，测试得到Ant-2的阻抗带宽为5.4％(4.33～4.58GHz)，仿真得到的阻抗带宽为5.6％(4.35～4.59GHz),两者基本一致；同时可以看出，Ant-2的平均实现增益为6.5dBi，峰值实现增益为6.7dBi，带内的增益相对比较平坦，抖动小于0.3dB。由于右边带辐射零点的引入，测试得到的右边带选择性达到134dB/GHz，带外抑制度大于26dB。由效率曲线可以看出，仿真和测试得到的效率比较一致，带内的效率比较平坦，带内峰值效率可达到94％，带外效率急剧下降到0。
如图5所示，其示出了Ant-1在中心频点处仿真和测试得到的E面(y-z面)和H面(x-z面)归一化辐射方向图。可以看出，Ant-1的E/H面方向图均比较对称，E面方向图的轻微倾斜主要是由非对称的天线结构以及宽缝两边非对称的电流分布所致。另外可以看出，Ant-1在E/H面的辐射前后比和交叉极化均大于20dB，辐射方向图在整个通带内均很稳定。
如图6所示，其示出了Ant-2在中心频点处仿真和测试得到的E面(y-z面)和H面(x-z面)归一化辐射方向图。可以看出，Ant-2的E/H面方向图均比较对称，E面方向图的轻微倾斜主要是由非对称的天线结构以及宽缝两边非对称的电流分布所致。另外可以看出，Ant-2在E/H面的辐射前后比和交叉极化均大于20dB，辐射方向图在整个通带内均很稳定。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (6)

1.一种可控辐射零点的基片集成波导滤波缝隙天线，其特征在于：所述可控辐射零点的基片集成波导滤波缝隙天线包括单层基片集成波导腔体、金属柱、长横缝和对外连接件；
所述金属柱沿着腔体的中线设置，将单层基片集成波导腔体分割为两部分，从而将单层基片集成波导腔体分成两个TE110模谐振器；在其中一部分横向设置长缝，另一部分设置有馈电的对外连接件；
长横缝将所在的TE110模谐振器分成两个半模谐振器。
2.根据权利要求1所述的可控辐射零点的基片集成波导滤波缝隙天线，其特征在于：所述单层基片集成波导腔体由在边沿竖直设置的金属孔围合而成。
3.根据权利要求2所述的可控辐射零点的基片集成波导滤波缝隙天线，其特征在于：所述金属柱数量为4。
4.根据权利要求3所述的可控辐射零点的基片集成波导滤波缝隙天线，其特征在于：所述对外连接件为SMA连接器。
5.根据权利要求4所述的可控辐射零点的基片集成波导滤波缝隙天线，其特征在于：所述可控辐射零点为可控左边带辐射零点，所述单层基片集成波导腔体的基片材料为F4B-2，厚度为6mm，相对介电常数为2.485，损耗角正切为0.0018；
单层基片集成波导腔体宽度为49mm，长度为51mm；四个金属柱的直径为2mm，相邻金属柱的间隔为9.1mm；SMA连接器距单层基片集成波导腔体边缘的距离为4.8mm；长横缝的长度为28.7mm，宽度为4.2mm，距单层基片集成波导腔体边缘的距离为13.2mm。
6.根据权利要求4所述的可控辐射零点的基片集成波导滤波缝隙天线，其特征在于：所述可控辐射零点为可控右边带辐射零点，所述单层基片集成波导腔体的基片材料为F4B-2，厚度为6mm，相对介电常数为2.485，损耗角正切为0.0018；
单层基片集成波导腔体的宽度为49mm，长度为51mm；四个金属柱的直径为2mm，相邻金属柱的间隔为8.5mm；SMA连接器距边缘的距离为4.3mm；长横缝的长度为30.6mm，宽度为6.9mm，距单层基片集成波导腔体边缘的距离为11.4mm。
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