CN114725658B - 一种融合缺陷结构的慢波介质集成滤波天线及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及滤波天线技术领域，具体而言，涉及一种融合缺陷结构的慢波介质集成滤波天线及其设计方法，该方法的步骤包括：将全模介质集成波导滤波腔与半模介质集成波导辐射腔进行级联，且对半模介质集成波导辐射腔远离全模介质集成波导滤波腔的一侧进行拓宽，形成半模介质集成波导辐射腔的拓宽区域；对全模介质集成波导滤波腔、半模介质集成波导辐射腔与半模介质集成波导辐射腔的拓宽区域的下表面金属层进行多个设定形状慢波结构的蚀刻，并对全模介质集成波导滤波腔与半模介质集成波导辐射腔的上表面金属层进行设定个数与设定形状的缺陷地结构的蚀刻，形成慢波介质集成滤波天线，并优化慢波介质集成滤波天线，完成慢波介质集成滤波天线的设计。
Description
技术领域
本发明涉及滤波天线技术领域，具体而言，涉及一种融合缺陷结构的慢波介质集成滤波天线及其设计方法。
背景技术
滤波器和天线是通信射频前端的重要组成部分，其小型化、高性能与集成化已成为近年来的研究热点。目前，国内外学者采用不同的方法将具有滤波和辐射功能的器件集成在一个微波器件中，形成滤波天线。就目前而言，介质集成波导因其兼有微带和传统金属波导结构的优点在滤波天线中得到了广泛的应用，但仍存在以下缺点：1、由于电磁波在介质集成波导腔内传输及辐射的阻抗匹配性能较差，因而导致滤波天线的工作带宽较小；2、介质集成波导腔体上表面的电流分布特性较差，因而导致滤波天线尺寸较大；3、半模介质集成波导、介质外延区域和空气之间的阻抗匹配较差，因而导致电磁波的介质辐射区域较小，影响滤波天线的辐射效率以及增益性能。为了克服上述问题，我们研究了一种融合缺陷结构的慢波介质集成滤波天线及其设计方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种融合缺陷结构的慢波介质集成滤波天线及其设计方法，其用于解决上述技术问题。
本发明的实施例通过以下技术方案实现：
一种融合缺陷结构的慢波介质集成滤波天线，包括介质集成波导矩形基板，所述介质集成波导矩形基板由全模介质集成波导滤波腔与半模介质集成波导辐射腔所组成，所述全模介质集成波导滤波腔与半模介质集成波导辐射腔级联，所述全模介质集成波导滤波腔与半模介质集成波导辐射腔均由介质基片与上下表面的金属层所组成；
其中，对半模介质集成波导辐射腔远离全模介质集成波导滤波腔的一侧进行拓宽，形成半模介质集成波导辐射腔的拓宽区域，所述半模介质集成波导辐射腔的拓宽区域由介质基片与下表面的金属层所组成；
所述全模介质集成波导滤波腔与半模介质集成波导辐射腔的上表面金属层蚀刻有设定个数与设定形状的缺陷地结构；
所述全模介质集成波导滤波腔、半模介质集成波导辐射腔与半模介质集成波导辐射腔的拓宽区域的下表面金属层均蚀刻有多个设定形状的慢波结构。
可选的，所述设定形状的慢波结构具体为镂空型圆环十字慢波结构。
可选的，所述半模介质集成波导辐射腔的拓宽区域远离半模介质集成波导辐射腔一侧的两个边角均为弧形。
可选的，所述全模介质集成波导滤波腔的上表面金属层四个设定形状的缺陷地结构，所述半模介质集成波导辐射腔的上表面金属层蚀刻有两个设定形状的缺陷地结构。
可选的，所述全模介质集成波导滤波腔与所述半模介质集成波导辐射腔，其上表面金属层的缺陷地结构形状均为折叠后的L型。
可选的，所述介质集成波导矩形基板的输入端具体为梯形微带过渡结构，并与50Ω微带线连接，其中，介质集成波导矩形基板的输入端位于全模介质集成波导滤波腔远离半模介质集成波导辐射腔的一侧。
可选的，所述全模介质集成波导滤波腔远离半模介质集成波导辐射腔的一侧以及所述全模介质集成波导滤波腔与半模介质集成波导辐射腔的级联的连接处，均加工有金属化通孔开口的不连续阵列。
可选的，所述全模介质集成波导滤波腔与半模介质集成波导辐射腔的级联的连接处，设有双槽线耦合窗。
可选的，所述全模介质集成波导滤波腔与半模介质集成波导辐射腔，均贯穿加工有金属化的通孔阵列。
一种应用于上述任意一项所述的一种融合缺陷结构的慢波介质集成滤波天线的设计方法，包括如下内容：
将全模介质集成波导滤波腔与半模介质集成波导辐射腔进行级联，且对半模介质集成波导辐射腔远离全模介质集成波导滤波腔的一侧进行拓宽，形成半模介质集成波导辐射腔的拓宽区域，其中，所述拓宽区域由介质基片与下表面的金属层所组成，所述全模介质集成波导滤波腔与半模介质集成波导辐射腔均由介质基片与上下表面的金属层所组成；
对全模介质集成波导滤波腔、半模介质集成波导辐射腔与半模介质集成波导辐射腔的拓宽区域的下表面金属层进行多个设定形状慢波结构的蚀刻，并对全模介质集成波导滤波腔与半模介质集成波导辐射腔的上表面金属层进行设定个数与设定形状的缺陷地结构的蚀刻，形成慢波介质集成滤波天线，对慢波介质集成滤波天线进行微带过渡结构以及双槽线耦合窗的优化，完成慢波介质集成滤波天线的设计，其中，所述全模介质集成波导滤波腔的上表面金属层四个折叠后的L型的缺陷地结构，所述半模介质集成波导辐射腔的上表面金属层蚀刻有两个折叠后的L型的缺陷地结构，所述慢波介质集成滤波天线的输入端具体为梯形微带过渡结构，并与50Ω微带线连接。
本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：
(1)本发明设计合理、结构简单，本发明在滤波天线的全模介质集成波导腔和半模介质集成波导腔上蚀刻多个折叠“L”型缺陷地结构，能够有效改变介质集成波导腔的上表面电流分布特性，增大表面电流路径，进而增大介质集成波导腔内部的等效磁导率和等效介电常数的乘积，降低介质集成波导腔内部的电磁波谐振频率，实现慢波谐振效应，进而实现滤波天线尺寸的小型化；
(2)在滤波天线的下底面金属层蚀刻镂空型圆环十字慢波结构，能够改变下底面的电路分布特性和介质集成波导腔内部的电磁波分布特性，从而改善馈线阻抗、电磁波波阻抗、空气阻抗之间的级联型阻抗匹配特性，有效扩展滤波天线的工作带宽；
(3)在滤波天线的半模介质集成波导前端介质外延区域进行尺寸拓宽，能改善介质外延区域和空气之间的阻抗匹配，进而提升滤波天线的辐射效率和增益。
附图说明
图1为本发明提供的一种融合缺陷结构的慢波介质集成滤波天线的结构示意图；
图2为本发明提供的一种融合缺陷结构的慢波介质集成滤波天线的下表面示意图；
图3为本发明提供的一种融合缺陷结构的慢波介质集成滤波天线的上表面示意图；
图4为本发明提供的一种融合缺陷结构的慢波介质集成滤波天线的设计方法的流程示意图；
图5为本发明提供的滤波天线中心频点8.7GHz的E平面(a)、H平面(b)辐射场的方向图；
图6为本发明提供的滤波天线的回波和最大增益随频率分布的曲线示意图；
附图标记：1、接地金属层；2、50Ω微带渐近线；3、金属化通孔；4、折叠“L”型缺陷地结构；5、两个腔体之间连接处的横向窄槽；6、介质外延辐射区域；7、介质基片；8、上表面金属层；9、滤波天线慢波结构。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
如图1所示，本发明提供了其中一种实施例：一种融合缺陷结构的慢波介质集成滤波天线，其中，所述融合缺陷结构的慢波介质集成滤波天线具体为融合缺陷结构的慢波介质集成全景无线通信滤波天线，包括：
介质集成波导矩形基板：所述基板包含介质基片以及介质上、下表面的金属铜层。
矩形基板输入端为梯形微带过渡结构，并和50Ω微带线连接。
采用标准印刷电路板工艺，在矩形基板横向两侧的上、下表面金属的重叠区域与中间部分的介质基片加工金属化通孔阵列，金属化通孔为贯通上下表面金属和介质基片的设计，以及在纵向方向的输入端和两个腔体级联的连接处加工金属化通孔开口不连续阵列，并对延长的辐射介质基片进行加宽以及同侧倒圆角。
设计中，介质基板均为Taconic TLX-6，相对介电常数为2.65，介质损耗角正切为0.0022，厚度均为1.016mm，表面金属均为铜，厚度均为0.035mm。
如图2所示，镂空型圆环十字慢波结构：在滤波天线的下底金属面上蚀刻多个镂空型圆环十字慢波结构，该结构中金属条的宽度为0.2mm，单个网格的边长为0.62mm。金属圆环的金属宽度为0.2mm，外径为1.0mm。
该结构可以改善介质集成波导腔地面电流分布和电磁场分布特性，提升阻抗匹配特性，从而有效拓宽工作带宽。
全模介质集成波导滤波腔与半模介质集成波导辐射腔的级联的连接处优化有双槽线耦合窗，双槽线能优化全模滤波腔和半模辐射腔的之间的耦合强度，进而提升天线效率，减少传输功率损耗。
介质外延区域拓宽：对在半模介质集成波导谐振腔辐射一侧的外延介质区域进行拓宽，从而改变半模介质集成波导腔、外延介质区域和空气之间的阻抗匹配，增大电磁波的介质辐射区域，提高滤波天线的辐射效率和增益。
如图3所示，折叠后的“L”型缺陷地结构：在介质集成波导腔体蚀刻四个折叠后的“L”型的缺陷地结构，同时在半模介质集成波导辐射腔蚀刻两个折叠后的“L”型的缺陷地结构，能够有效改变介质集成波导腔体上表面的电流分布特性，增大表面电流路径，进而增大介质集成波导腔内部的等效磁导率和等效介电常数的乘积，降低介质集成波导腔内部的电磁波谐振频率，实现慢波谐振效应，进而实现滤波天线尺寸的小型化。
本发明提出一种折叠后的“L”型缺陷地结构对上层金属层刻蚀，通过引入该结构，能够有效改变介质集成波导腔体上表面的电流分布特性，增大表面电流路径，进而增大介质集成波导腔内部的等效磁导率和等效介电常数的乘积，降低介质集成波导腔内部的电磁波谐振频率，实现慢波谐振效应，进而实现滤波天线尺寸的小型化。该结构单元得大小形状易于控制，便于加工，有利于实际工程应用。
由于滤波天线的馈线阻抗特性与电磁波的波阻抗和空气阻抗特性不一致，而馈线阻抗和波阻抗特性又与工作频率密切相关，导致天线的工作带宽较为受限。针对该问题，本发明在该滤波天线下底板上刻蚀镂空型圆环十字慢波结构，从而能够有效改变介质集成波导腔下底面的电流分布特性和介质集成波导腔内部的电磁场分布特性，改善馈线阻抗、电磁波波阻抗、空气阻抗之间的级联型阻抗匹配特性，从而有效拓宽工作带宽。
此外，本发明在半模介质集成波导腔的介质外延区域进行尺寸拓宽，进一步改善介质外延区域和空气之间的阻抗匹配，增大电磁波的介质辐射区域，进而提高滤波天线的辐射效率和增益。
如图4所示，本发明还提供了另外一种实施例：一种融合缺陷结构的慢波介质集成滤波天线的设计方法，包括如下内容：
将全模介质集成波导滤波腔与半模介质集成波导辐射腔级联，通过半模介质集成波导辐射腔的外延介质区域进行电磁波辐射，并对延长的外延区域进行拓宽，改善介质外延区域和空气直接的阻抗匹配特性，增大电磁波的介质辐射区域，提升滤波天线的辐射效率和增益；
然后引入折叠“L”型缺陷地结构，增大介质集成波导腔表面电流的路径，提升等效磁导率和等效介电常数，降低介质集成波导腔内部的电磁波谐振频率，实现慢波谐振效应及滤波天线的尺寸小型化；
进一步地，在介质集成波导腔下底面引入网格金属单元慢波结构，改善半模介质集成波导腔、外延介质区域和空气之间的阻抗匹配，从而有效扩展工作带宽。
结合本发明所提出的两种实施例，为了验证融合缺陷结构的慢波介质集成全景无线通信滤波天线的性能，因此，本发明对所提出的滤波天线结构进行了仿真，仿真结果如下所示：
如图5所示，具体为滤波天线中心频点8.7GHz的E平面(a)、H平面(b)辐射场方向图，从图中可以看出，天线具有良好的边射辐射特性。可以看出在H面和E面的共极化辐射增益分别为6.5dBi和6.54dBi，交叉极化电平比共极化电平分别低10dB和35dB。
如图6所示，具体为滤波天线的回波和最大增益随频率分布曲线图：由于两个谐振腔级联产生的两个传输零点最终使得该滤波天线在7.9GHz和9.4GHz产生两个辐射零点，使得滤波天线的选择性得到显著提高。从增益曲线可以观察出滤波天线的边带具有与滤波器相似的陡降度，其频率选择性明显优于普通天线，且最大增益为6.54dBi,通带内增益较为平坦。通过在底面金属上加载镂空型圆环十字结构来改变介质集成波导腔的底面电流分布和内部电磁场分布特性，改善馈线阻抗、电磁波波阻抗、空气阻抗之间的级联型阻抗匹配性能，有效扩展工作带宽，使得该天线工作频段为8.5Hz～8.9GHz，谐振中心频点为8.7GHz，-10dB带宽为380MHz，相对带宽为4.6％。与之相比，未引入底面镂空型圆环十字结构的滤波天线在相同频率处的相对工作带宽仅有3.8％。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种融合缺陷结构的慢波介质集成滤波天线，其特征在于，包括介质集成波导矩形基板，所述介质集成波导矩形基板由全模介质集成波导滤波腔与半模介质集成波导辐射腔所组成，所述全模介质集成波导滤波腔与半模介质集成波导辐射腔级联，所述全模介质集成波导滤波腔与半模介质集成波导辐射腔均由介质基片与上下表面的金属层所组成；
其中，对半模介质集成波导辐射腔远离全模介质集成波导滤波腔的一侧进行拓宽，形成半模介质集成波导辐射腔的拓宽区域，所述半模介质集成波导辐射腔的拓宽区域由介质基片与下表面的金属层所组成；
所述全模介质集成波导滤波腔与半模介质集成波导辐射腔的上表面金属层蚀刻有设定个数与设定形状的缺陷地结构，其中，所述全模介质集成波导滤波腔的上表面金属层蚀刻有四个设定形状的缺陷地结构，所述半模介质集成波导辐射腔的上表面金属层蚀刻有两个设定形状的缺陷地结构，所述全模介质集成波导滤波腔与所述半模介质集成波导辐射腔，其上表面金属层的缺陷地结构形状均为折叠后的L型；
所述全模介质集成波导滤波腔、半模介质集成波导辐射腔与半模介质集成波导辐射腔的拓宽区域的下表面金属层均蚀刻有多个设定形状的慢波结构，其中，所述设定形状的慢波结构具体为镂空型圆环十字慢波结构。
2.根据权利要求1所述的一种融合缺陷结构的慢波介质集成滤波天线，其特征在于，所述半模介质集成波导辐射腔的拓宽区域远离半模介质集成波导辐射腔一侧的两个边角均为弧形。
3.根据权利要求1所述的一种融合缺陷结构的慢波介质集成滤波天线，其特征在于，所述介质集成波导矩形基板的输入端具体为梯形微带过渡结构，并与50Ω微带线连接，其中，介质集成波导矩形基板的输入端位于全模介质集成波导滤波腔远离半模介质集成波导辐射腔的一侧。
4.根据权利要求3所述的一种融合缺陷结构的慢波介质集成滤波天线，其特征在于，所述全模介质集成波导滤波腔远离半模介质集成波导辐射腔的一侧以及所述全模介质集成波导滤波腔与半模介质集成波导辐射腔的级联的连接处，均加工有金属化通孔开口的不连续阵列，且所述全模介质集成波导滤波腔与半模介质集成波导辐射腔的级联的连接处，设有双槽线耦合窗。
5.根据权利要求4所述的一种融合缺陷结构的慢波介质集成滤波天线，其特征在于，所述全模介质集成波导滤波腔与半模介质集成波导辐射腔，均贯穿加工有金属化的通孔阵列。
6.一种应用于权利要求1-5任意一项所述一种融合缺陷结构的慢波介质集成滤波天线的设计方法，其特征在于，包括如下内容：
将全模介质集成波导滤波腔与半模介质集成波导辐射腔进行级联，且对半模介质集成波导辐射腔远离全模介质集成波导滤波腔的一侧进行拓宽，形成半模介质集成波导辐射腔的拓宽区域，其中，所述拓宽区域由介质基片与下表面的金属层所组成，所述全模介质集成波导滤波腔与半模介质集成波导辐射腔均由介质基片与上下表面的金属层所组成；
对全模介质集成波导滤波腔、半模介质集成波导辐射腔与半模介质集成波导辐射腔的拓宽区域的下表面金属层进行多个设定形状慢波结构的蚀刻，并对全模介质集成波导滤波腔与半模介质集成波导辐射腔的上表面金属层进行设定个数与设定形状的缺陷地结构的蚀刻，形成慢波介质集成滤波天线，对慢波介质集成滤波天线进行微带过渡结构以及双槽线耦合窗的优化，完成慢波介质集成滤波天线的设计，其中，所述设定形状的慢波结构具体为镂空型圆环十字慢波结构，所述全模介质集成波导滤波腔的上表面金属层蚀刻有四个折叠后的L型的缺陷地结构，所述半模介质集成波导辐射腔的上表面金属层蚀刻有两个折叠后的L型的缺陷地结构，所述慢波介质集成滤波天线的输入端具体为梯形微带过渡结构，并与50Ω微带线连接。
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