CN114824776A - 基片集成波导馈电的微带贴片滤波天线阵列及其构建方法 - Google Patents

基片集成波导馈电的微带贴片滤波天线阵列及其构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于微波通信技术领域，具体涉及一种基片集成波导馈电的微带贴片滤波天线阵列及其构建方法。本发明通过充分利用基片集成波导谐振腔的高次模TE201，直接实现了一分四的等功率分配馈电，简化传统馈电网络，同时还利用滤波器理论，将工作在TE201模式下的基片集成波导谐振腔作为滤波器的第一级谐振器，而工作在TM10模式下的微带贴片谐振器作为滤波器的第二级谐振器，并且也作为天线阵列的辐射器，根据理论计算推导，合理利用两级谐振器之间的耦合系数，使阵列实现滤波功能。

Description

基片集成波导馈电的微带贴片滤波天线阵列及其构建方法
技术领域
本发明属于微波通信技术领域，具体涉及一种基片集成波导馈电的微带贴片滤波天线阵列及其构建方法。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，不同器件之间的集成已成为一个重要的问题。在传统设计中，滤波器和天线阵列这两个器件总是分开设计，并用传输线相连。显然，这种架构具有体积大的缺点，同时滤波器和连接电路会引入较为显著的***损耗。近十年来，一种被称为滤波天线的新型器件被提出并立即引起研究学者的极大兴趣，此类器件同时具备滤波和辐射功能，符合射频前端多功能化和高集成度的发展要求。实现滤波天线的方法主要分为三类：一是通过改进馈电结构来形成滤波性能；二是使用滤波器理论来集成天线和滤波器，天线既作为辐射单元又充当滤波器的最后一级谐振器；三是改进辐射单元，将滤波结构嵌入其中，例如使用短路通孔、短截线、刻蚀槽等手段。
但值得注意的是，目前已报道的滤波天线中大多数都工作在较低频段，并且它们所采用的馈电网络都基于微带线形式。随着低频频谱逐渐拥挤，载波频率不断上升，这种开放式的微带线馈电网络将不可避免地引入严重的***损耗，而且结构相对复杂。显然，复杂的馈电网络并不利于天线阵列的组成。有研究学者选择金属波导这种密闭结构来代替微带线进行能量的传输，减轻损耗问题，但它的体积笨重，且三维结构并不适合与平面电路集成。此时，采用低***损耗、低剖面、高功率容量以及易于集成的基片集成波导技术来设计工作于较高频段的滤波天线阵列是一个良好的选择。此外，在经典类型的天线中，微带贴片天线由于具有剖面低、重量轻、成本低和易于加工制造等优点被广泛应用于滤波天线阵列的设计当中。
但是，现有基片集成波导馈电的微带贴片滤波天线阵列大多仍采用传统的一分二、二分四架构来构建馈电网络，这会造成阵列的整体体积过大并增加传输损耗。
发明内容
本设计针对上述技术所存在的问题，提出了一种基片集成波导馈电的微带贴片滤波天线阵列及其构建方法。
本发明为实现上述发明目的，采取的技术方案如下：
基片集成波导馈电的微带贴片滤波天线阵列，包括自下而上依次层叠设置的下金属地板、下介质基板、上金属地板及上介质基板，所述上介质基板上表面设置四个正方形微带贴片；所述四个正方形微带贴片关于上介质基板的中心线对称阵列设置；所述下金属地板的一侧沿着x轴方向刻蚀出两条宽度相等的窄缝隙；所述下金属地板的中心线上设置微带馈线；所述微带馈线位于两条宽度相等的窄缝隙的中间；所述上金属地板刻蚀有四个尺寸相同且相邻中心间距相等的矩形耦合缝隙；所述四个正方形微带贴片分别与四个相对应的矩形耦合缝隙的垂直投影面的中心相重合；所述下介质基板设置金属通孔；所述下金属地板、下介质基板、金属通孔及上金属地板形成基片集成波导谐振腔，其工作在TE201模式；所述基片集成波导谐振腔构成天线阵列的滤波功能的第一级谐振器；所述两条宽度相等的窄缝隙与垂直投影在窄缝隙两侧的金属通孔形成接地共面波导；所述四个正方形微带贴片、上介质基板及上金属地板形成天线阵列的四个微带贴片谐振器，其工作在TM10模式；所述四个微带贴片谐振器构成天线阵列的滤波功能的第二级谐振器；天线阵列的能量输入端口位于微带馈线与下金属地板的一侧边缘相交的位置；能量输入端口通过微带馈线将能量传输给接地共面波导；所述接地共面波导与基片集成波导谐振腔连接，将能量馈入基片集成波导谐振腔，使其在TE201模式下工作。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述基片集成波导谐振腔通过四个相对应的矩形耦合缝隙将能量均匀地分成四等份输出，来激励四个微带贴片谐振器，使其工作在TM10模式下。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述下介质基板为双面印刷电路板，采用Rogers RT/Duroid 5880型号板材，其介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述上介质基板为单面印刷电路板，采用Rogers RT/Duroid 5880型号板材，其介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。
基片集成波导馈电的微带贴片滤波天线阵列的构建方法，包括以下步骤：步骤1、设计一个二阶带通滤波器，根据所需性能指标计算滤波器低通原型的集总参数，再据此计算二阶带通滤波器的输入和输出端的外部品质因数，以及两级谐振器之间的耦合系数；步骤2、构建一个具有单个微带贴片(1)和单个耦合缝隙(3)的初始滤波天线，将该天线中的基片集成波导谐振腔视作步骤1中二阶带通滤波器的第一级谐振器，单个微带贴片谐振器视作步骤1中二阶带通滤波器的第二级谐振器，同时起到向外辐射的作用；此时，单个微带贴片谐振器的辐射品质因数等同于二阶带通滤波器输出端的外部品质因数；步骤3、基于步骤2中的初始滤波天线，在同一个基片集成波导谐振腔上构建具有n个微带贴片(1)和n个耦合缝隙(3)的滤波天线阵列，每个相邻单元的中心间距相等；进一步根据计算公式推导得，滤波天线阵列中每个微带贴片谐振器的辐射品质因数均与初始滤波天线的辐射品质因数相等，而滤波天线阵列中每个微带贴片谐振器与基片集成波导谐振腔之间的耦合系数是初始滤波天线中两级谐振器之间耦合系数的
Figure BDA0003645244170000021
步骤4、根据步骤1-3中确定的理论设计参数，通过调整用于激励第一级基片集成波导谐振腔的接地共面波导中两个窄缝隙(8)的长度和宽度，使滤波天线阵列的输入端满足步骤1中得到的外部品质因数；步骤5、通过调节微带贴片(1)的边长和上介质基板(2)的介电常数，使滤波天线阵列中每个微带贴片谐振器满足步骤2中得到的辐射品质因数；步骤6、通过调节耦合缝隙(3)的尺寸，使得滤波天线阵列中每个微带贴片谐振器与基片集成波导谐振腔之间的耦合度满足步骤3中得到的耦合系数。
本发明所述的基片集成波导馈电的微带贴片滤波天线阵列及其构建方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明通过充分利用基片集成波导谐振腔的高次模TE201，直接实现了一分四的等功率分配馈电，简化传统馈电网络，同时还利用滤波器理论，将工作在TE201模式下的基片集成波导谐振腔作为滤波器的第一级谐振器，而工作在TM10模式下的微带贴片谐振器作为滤波器的第二级谐振器，并且也作为天线阵列的辐射器，根据理论计算推导，合理利用两级谐振器之间的耦合系数，使阵列实现滤波功能。
附图说明
图1是本发明实施例滤波天线阵列的分解图；
图2是本发明实施例滤波天线阵列的俯视图；
图3是初始滤波天线的工作原理拓扑图；
图4是本发明实施例滤波天线阵列的工作原理拓扑图；
图5是本发明实施例滤波天线阵列中在不同的窄缝隙长度下输入端口的外部品质因数的变化曲线图；
图6是本发明实施例滤波天线阵列在不同的窄缝隙宽度下输入端口的外部品质因数的变化曲线图；
图7是本发明实施例滤波天线阵列中在不同的耦合缝隙长度下单个微带贴片谐振器和基片集成波导谐振腔之间耦合系数的变化曲线图；
图8是本发明实施例滤波天线阵列中在不同的耦合缝隙宽度下单个微带贴片谐振器和基片集成波导谐振腔之间耦合系数的变化曲线图；
图9是本发明实施例滤波天线的反射系数曲线图；
图10是本发明实施例滤波天线阵列的增益曲线图；
图11是本发明实施例滤波天线阵列在13.51GHz频率点下的辐射方向图；
图12是本发明实施例滤波天线阵列在13.75GHz频率点下的辐射方向图；
附图中，1-微带贴片，2-上介质基板，3-耦合缝隙，4-上金属地板，5-下介质基板，6-金属通孔，7-微带馈线，8-窄缝隙，9-下金属地板。
具体实施方式
下面结合附图详细的描述本发明的作进一步的解释说明,以使本领域的技术人员可以更深入地理解本发明并能够实施,但下面通过参考实例仅用于解释本发明,不作为本发明的限定。
如图1至图2，基片集成波导馈电的微带贴片滤波天线阵列，包括自下而上依次层叠设置的下金属地板9、下介质基板5、上金属地板4及上介质基板2，其特征在于，所述上介质基板2上表面设置四个正方形微带贴片1；正方形微带贴片1的长度和宽度均为lm；所述四个正方形微带贴片1关于上介质基板2的中心线对称阵列设置；所述下金属地板9的一侧沿着x轴方向刻蚀出两条宽度相等的窄缝隙8；窄缝隙8的宽度为wg；所述下金属地板9的中心线上设置微带馈线7；所述微带馈线7位于两条宽度相等的窄缝隙8的中间；所述上金属地板4刻蚀有四个尺寸相同且相邻中心间距相等的矩形耦合缝隙3；耦合缝隙3的长度为lc，宽度为wc；所述四个正方形微带贴片1分别与四个相对应的矩形耦合缝隙3的垂直投影面的中心相重合；所述下介质基板5设置金属通孔6；所述下金属地板9、下介质基板5、金属通孔6及上金属地板4形成基片集成波导谐振腔，其工作在TE201模式；所述基片集成波导谐振腔构成天线阵列的滤波功能的第一级谐振器；其长度为la，宽度为wa；从图2来看，矩形耦合缝隙3分别位于基片集成波导谐振腔内部的四个角落，相邻两个矩形耦合缝隙3的中心间距相等。
所述两条宽度相等的窄缝隙8与垂直投影在窄缝隙8两侧的金属通孔6形成接地共面波导；所述四个正方形微带贴片1、上介质基板2及上金属地板4形成天线阵列的四个微带贴片谐振器，其工作在TM10模式；所述四个微带贴片谐振器构成天线阵列的滤波功能的第二级谐振器；天线阵列的能量输入端口位于微带馈线7与下金属地板9的一侧边缘相交的位置；能量输入端口通过微带馈线7将能量传输给接地共面波导；所述接地共面波导与基片集成波导谐振腔连接，将能量馈入基片集成波导谐振腔，使其在TE201模式下工作。
基片集成波导谐振腔通过四个相对应的矩形耦合缝隙将能量均匀地分成四等份输出，来激励四个微带贴片谐振器，使其工作在TM10模式下。
下介质基板为双面印刷电路板，采用Rogers RT/Duroid 5880型号板材，其介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。上介质基板为单面印刷电路板，采用Rogers RT/Duroid5880型号板材，其介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。
本发明实施例滤波天线阵列详细的参数见表I；
表I
Figure BDA0003645244170000041
Figure BDA0003645244170000051
本发明的天线阵列是利用滤波器理论来设计的，所对应的滤波器为二阶滤波器，工作在TE201模式下的基片集成波导谐振腔为所对应滤波器的第一级谐振器，四个工作在TM10模式下的正方形微带贴片谐振器为所对应滤波器的第二级谐振器，同时具有向自由空间辐射能量的作用。
基片集成波导馈电的微带贴片滤波天线阵列的构建方法，包括以下步骤：步骤1、设计一个二阶带通滤波器，根据所需性能指标计算滤波器低通原型的集总参数，再据此计算二阶带通滤波器的输入和输出端的外部品质因数，以及两级谐振器之间的耦合系数；
步骤2、构建一个具有单个微带贴片1和单个耦合缝隙3的初始滤波天线，将该天线中的基片集成波导谐振腔视作步骤1中二阶带通滤波器的第一级谐振器，单个微带贴片谐振器视作步骤1中二阶带通滤波器的第二级谐振器，同时起到向外辐射的作用；此时，单个微带贴片谐振器的辐射品质因数等同于二阶带通滤波器输出端的外部品质因数；
步骤3、基于步骤2中的初始滤波天线，在同一个基片集成波导谐振腔上构建具有n个微带贴片1和n个耦合缝隙3的滤波天线阵列，每个相邻单元的中心间距相等；进一步根据计算公式推导得，滤波天线阵列中每个微带贴片谐振器的辐射品质因数均与初始滤波天线的辐射品质因数相等，而滤波天线阵列中每个微带贴片谐振器与基片集成波导谐振腔之间的耦合系数是初始滤波天线中两级谐振器之间耦合系数的
Figure BDA0003645244170000052
步骤4、根据步骤1-3中确定的理论设计参数，通过调整用于激励第一级基片集成波导谐振腔的接地共面波导中两个窄缝隙8的长度和宽度，使滤波天线阵列的输入端满足步骤1中得到的外部品质因数；
步骤5、通过调节微带贴片1的边长和上介质基板2的介电常数，使滤波天线阵列中每个微带贴片谐振器满足步骤2中得到的辐射品质因数；
步骤6、通过调节耦合缝隙3的尺寸，使得滤波天线阵列中每个微带贴片谐振器与基片集成波导谐振腔之间的耦合度满足步骤3中得到的耦合系数。
具体实施的设计过程如下：
首先，目标是设计一个通带中心频率为f0＝13.6GHz、具有0.15-dB通带波纹、相对带宽为3.5％的二阶滤波器，根据这些性能指标可以计算出滤波器低通原型的集总参数：g0＝1，g1＝0.9056，g2＝0.6578。再根据下列公式(1)和(2)，
Figure BDA0003645244170000053
Figure BDA0003645244170000061
可求得理论上该二阶滤波器所需的输入端的外部品质因数Qes和输出端的外部品质因数Qed为27，两级谐振器之间的耦合系数K＝0.045。
接着，构建一个具有单个微带贴片和单个耦合缝隙的初始滤波天线，将该天线中的基片集成波导谐振腔视作二阶带通滤波器的第一级谐振器，单个微带贴片谐振器视作二阶带通滤波器的第二级谐振器，同时起到向外辐射的作用。初始滤波天线的工作原理拓扑图如图3所示。此时，初始滤波天线输入端口的外部品质因数等同于二阶带通滤波器输入端口的外部品质因数Qes，单个微带贴片谐振器的辐射品质因数等同于二阶带通滤波器输出端的外部品质因数Qed，单个微带贴片谐振器和基片集成波导谐振腔之间的耦合系数等同于二阶带通滤波器两级谐振器之间的耦合系数K。
基于上述初始滤波天线，在同一个基片集成波导谐振腔上构建具有4个微带贴片和4个耦合缝隙的本发明实施例滤波天线阵列，其工作原理拓扑图如图4所示。将该滤波天线阵列的输入功率定义为Ps，输入能量为Was，4个向外辐射的微带贴片谐振器相当于4个输出端口，它们的输出功率定义为PLi(i＝1，2，3，4)，输出能量为Wai(i＝1，2，3，4)，这里存在Ps＝PL1+PL2+PL3+PL4，Was＝Wa1+Wa2+Wa3+Wa4，也可表示为，
Figure BDA0003645244170000062
Figure BDA0003645244170000063
对应的功率分配比为P1:P2:P3:P4＝Wa1:Wa2:Wa3:Wa4＝α1:α2:α3:α4。将本发明实施例滤波天线阵列中4个微带贴片谐振器对应的外部品质因数定义为Qedi(i＝1，2，3，4)。则该滤波天线阵列的输入和输出端的外部品质因素可分别用公式(5)和(6)表示，
Figure BDA0003645244170000064
Figure BDA0003645244170000065
将公式(3)和(4)代入公式(5)和(6)中，
Figure BDA0003645244170000071
则可以得到Qed＝Qes＝Qedi(i＝1，2，3，4)＝27。将本发明实施例滤波天线阵列中每个微带贴片谐振器各自和基片集成波导谐振腔之间的耦合系数定义为Ki(i＝1，2，3，4)，它们之间的关系可用公式(8)来描述
Figure BDA0003645244170000072
由于考虑本实施天线阵列中基片集成波导谐振腔需要实现等功率输出来激励微带贴片谐振器，则存在功率分配比α1:α2:α3:α4＝1:1:1:1，因此Ki(i＝1，2，3，4)＝0.5K＝0.0225。
根据上述这些理论公式的分析与推导，获得了关键的设计参数数值，之后调整本发明实施例滤波天线阵列的结构参数来拟合这些关键设计参数。通过调节接地共面波导两侧窄缝隙的长度lg和宽度wg可以控制基片集成波导谐振腔的输入端口的外部品质因数Qes。图5为在不同的窄缝隙长度下输入端口的外部品质因数的变化曲线图。可以看出，随着lg的增加，Qes会逐渐变小。图6为在不同的窄缝隙宽度下输入端口的外部品质因数的变化曲线图。可以观察到，随着wg的增加，Qes也会逐渐变小。通过调节第一级基片集成波导谐振腔和微带贴片谐振器之间的耦合缝隙的长度lc和宽度wc能够控制两级谐振器之间的耦合系数Ki。图7为在不同的耦合缝隙长度下单个微带贴片谐振器和基片集成波导谐振腔之间耦合系数的变化曲线图。随着lc的增加，Ki将一定程度上变大。图8为在不同的耦合缝隙宽度下单个微带贴片谐振器和基片集成波导谐振腔之间耦合系数的变化曲线图。随着wc的增加，Ki的值也会逐渐上升。接着，通过选择微带贴片的边长lm和上介质基板的介电常数εrs之间的不同组合，可以控制单个微带贴片谐振器的辐射品质因数Qedi。例如当lm＝3.9mm，εrs＝5.2时，对应的Qedi＝39.8；当lm＝6.4mm，εrs＝2.2时，对应的Qedi＝27；当lm＝8.8mm，εrs＝1.2时，对应的Qedi＝23.8。
最终，通过合理优化这些关键参数，并将四个微带贴片以相邻两个微带贴片的中心间距相等的形式进行排列，实现了本发明实施例滤波天线阵列的最终性能。图9展示了本发明实施例滤波天线阵列的反射系数曲线图，它的-10dB相对带宽为3.5％(13.39-13.87GHz)。图10展示了本发明实施例滤波天线阵列的增益曲线图，从中可以观察到，它具有较为平坦的带内增益，平均增益达到13.1dBi，带外抑制水平在20dB以上。图11和图12分别描述了本发明实施例滤波天线阵列在13.51GHz和13.75GHz频率点处的辐射方向图，在主辐射方向上，主极化值比交叉极化值高了35dB以上。
以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.基片集成波导馈电的微带贴片滤波天线阵列，包括自下而上依次层叠设置的下金属地板(9)、下介质基板(5)、上金属地板(4)及上介质基板(2)，其特征在于，所述上介质基板(2)上表面设置四个正方形微带贴片(1)；所述四个正方形微带贴片(1)关于上介质基板(2)的中心线对称阵列设置；所述下金属地板(9)的一侧沿着x轴方向刻蚀出两条宽度相等的窄缝隙(8)；所述下金属地板(9)的中心线上设置微带馈线(7)；所述微带馈线(7)位于两条宽度相等的窄缝隙(8)的中间；所述上金属地板(4)刻蚀有四个尺寸相同且相邻中心间距相等的矩形耦合缝隙(3)；所述四个正方形微带贴片(1)分别与四个相对应的矩形耦合缝隙(3)的垂直投影面的中心相重合；所述下介质基板(5)设置金属通孔(6)；所述下金属地板(9)、下介质基板(5)、金属通孔(6)及上金属地板(4)形成基片集成波导谐振腔，其工作在TE201模式；所述基片集成波导谐振腔构成天线阵列的滤波功能的第一级谐振器；所述两条宽度相等的窄缝隙(8)与垂直投影在窄缝隙(8)两侧的金属通孔(6)形成接地共面波导；所述四个正方形微带贴片(1)、上介质基板(2)及上金属地板(4)形成天线阵列的四个微带贴片谐振器，其工作在TM10模式；所述四个微带贴片谐振器构成天线阵列的滤波功能的第二级谐振器；天线阵列的能量输入端口位于微带馈线(7)与下金属地板(9)的一侧边缘相交的位置；能量输入端口通过微带馈线(7)将能量传输给接地共面波导；所述接地共面波导与基片集成波导谐振腔连接，将能量馈入基片集成波导谐振腔，使其在TE201模式下工作。
2.根据权利要求1所述的基片集成波导馈电的微带贴片滤波天线阵列，其特征在于，所述基片集成波导谐振腔通过四个相对应的矩形耦合缝隙(3)将能量均匀地分成四等份输出，来激励四个微带贴片谐振器，使其工作在TM10模式下。
3.根据权利要求1所述的基片集成波导馈电的微带贴片滤波天线阵列，其特征在于，所述下介质基板(5)为双面印刷电路板，采用Rogers RT/Duroid 5880型号板材，其介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。
4.根据权利要求1所述的基片集成波导馈电的微带贴片滤波天线阵列，其特征在于，所述上介质基板(2)为单面印刷电路板，采用Rogers RT/Duroid 5880型号板材，其介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。
5.基于权利要求1-4任意一项所述的基片集成波导馈电的微带贴片滤波天线阵列的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、设计一个二阶带通滤波器，根据所需性能指标计算滤波器低通原型的集总参数，再据此计算二阶带通滤波器的输入和输出端的外部品质因数，以及两级谐振器之间的耦合系数；
步骤2、构建一个具有单个微带贴片(1)和单个耦合缝隙(3)的初始滤波天线，将该天线中的基片集成波导谐振腔视作步骤1中二阶带通滤波器的第一级谐振器，单个微带贴片谐振器视作步骤1中二阶带通滤波器的第二级谐振器，同时起到向外辐射的作用；此时，单个微带贴片谐振器的辐射品质因数等同于二阶带通滤波器输出端的外部品质因数；
步骤3、基于步骤2中的初始滤波天线，在同一个基片集成波导谐振腔上构建具有n个微带贴片(1)和n个耦合缝隙(3)的滤波天线阵列，每个相邻单元的中心间距相等；进一步根据计算公式推导得，滤波天线阵列中每个微带贴片谐振器的辐射品质因数均与初始滤波天线的辐射品质因数相等，而滤波天线阵列中每个微带贴片谐振器与基片集成波导谐振腔之间的耦合系数是初始滤波天线中两级谐振器之间耦合系数的
Figure FDA0003645244160000021
步骤4、根据步骤1-3中确定的理论设计参数，通过调整用于激励第一级基片集成波导谐振腔的接地共面波导中两个窄缝隙(8)的长度和宽度，使滤波天线阵列的输入端满足步骤1中得到的外部品质因数；
步骤5、通过调节微带贴片(1)的边长和上介质基板(2)的介电常数，使滤波天线阵列中每个微带贴片谐振器满足步骤2中得到的辐射品质因数；
步骤6、通过调节耦合缝隙(3)的尺寸，使得滤波天线阵列中每个微带贴片谐振器与基片集成波导谐振腔之间的耦合度满足步骤3中得到的耦合系数。
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