CN115313035B - 基于siw的滤波天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SIW的滤波天线，包括自上而下依次叠层设置的第一介质层、第一金属层、第二介质层、第二金属层；所述第一介质层上设有第一馈电单元以及辐射单元，所述第二介质层上设有滤波单元，所述第一金属层上设有用于所述第一馈电单元与所述滤波单元，所述滤波单元与所述辐射单元两两耦合的第一耦合孔。本发明采用基于SIW技术设置的双介质层与双金属层的集成结构，其结构简单，加工容易，通过异面过度与耦合馈电的方式解决了传统滤波器与天线尺寸大、设计复杂的问题。从而实现高度集成，一定程度上减小了模型尺寸。

Description

基于SIW的滤波天线

技术领域

本发明属于微波通信领域，尤其涉及一种基于SIW的滤波天线。

背景技术

在传统的无线通讯***中，天线和滤波器是相互独立设计并优化的，然后通过标准阻抗的连接线将两者直接级联。这种传统方法的缺点在于:电路整体的尺寸偏大；天线和滤波器之间相互影响使得总体性能下降。为了克服以上两点缺陷，将二者进行联合设计成滤波天线，从而免除了级联环节，减小了整体结构的尺寸并改善了综合性能。

基片集成波导(SIW，Substrate Intergrated Waveguide)是近年发展起来的新型波导结构，其继承了传统金属波导的高Q值、低损耗和功率容量高等优点，还克服了传统金属波导成本高、加工调试复杂和体积较大的缺点。SIW技术的出现很好地满足了无线通讯元件小型化、高性能和低成本的需求。因此基于SIW结构的滤波器和天线得到了广泛研究。

发明内容

本发明提供了一种基于SIW的滤波天线，旨在解决现有的天线电路整体的尺寸偏大以及天线和滤波器之间相互影响使得总体性能下降的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供的基于SIW的滤波天线，包括自上而下依次叠层设置的第一介质层、第一金属层、第二介质层、第二金属层；所述第一介质层上设有第一馈电单元以及辐射单元，所述第二介质层上设有滤波单元，所述第一金属层上设有用于所述第一馈电单元与所述滤波单元，所述滤波单元与所述辐射单元两两耦合的第一耦合孔。

进一步地，该滤波天线还包括叠层设于所述第二金属层下方的第三介质层，所述第三介质层设有与所述第一馈电单元相同的第二馈电单元，所述第二金属层设有与所述第一耦合孔相同的第二耦合孔，所述第一馈电单元与所述第二馈电单元形成差分式馈电并通过所述第一耦合孔与所述第二耦合孔进行耦合馈电。

进一步地，所述第二介质层内嵌入有金属圆柱阵列，所述金属圆柱阵列围成具有开口的矩形结构而形成谐振腔，所述谐振腔作为所述滤波单元。

进一步地，所述谐振腔包括通过窗口耦合级联的第一谐振腔与第二谐振腔。

进一步地，所述辐射单元包括设于所述第一介质层上表面且具有通孔的金属贴片，所述通孔与所述金属圆柱的形状、大小相同，并围成具有开口的矩形结构，以形成与所述谐振腔耦合级联的第三谐振腔。

进一步地，所述第一介质层的上表面和所述第二介质层的下表面相对应的位置处均设有阻值为50Ω的矩形微带线而分别形成所述第一馈电单元与所述第二馈电单元。

进一步地，所述矩形微带线形状从各自所在介质层的短边中心处沿着介质层的长边方向延伸。

进一步地，所述第一金属层、第二金属层、金属圆柱、金属贴片以及矩形微带线均采用铜材料制成。

进一步地，所述第一耦合孔与所述第二耦合孔形状大小均相同，其形状为矩形或三角形或圆形。

进一步地，所述第一介质层、所述第二介质层与所述第三介质层形状、大小相同，且均为相对介电常数为2.2、厚度为0.508mm的Rogers材质介质基板。

本发明的基于SIW的滤波天线，采用基于SIW技术设置的双介质层与双金属层的集成结构，其结构简单，加工容易，通过异面过度与耦合馈电的方式解决了传统滤波器与天线尺寸大、设计复杂的问题。从而实现高度集成，一定程度上减小了模型尺寸。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的基于SIW的滤波天线一实施例的整体结构示意图；

图2为图1所示实施例的整体结构展开示意图；

图3为图2所示实施例的整体结构展开的侧视图；

图4为图1所示实施例中第一介质层的俯视平面图；

图5为图1所示实施例中第一金属层的俯视平面图；

图6为图1所示实施例中第二介质层的俯视平面图；

图7为图1所示实施例中第二金属层的俯视平面图；

图8为图1所示实施例中第三介质层的俯视平面图；

图9为图1所示实施例的单端口激励的具有三个谐振频点的仿真S参数曲线图；

图10为图1所示实施例的增益随频率变化的仿真曲线图；

图11a图1所示实施例的天线10.486GHz激励的xoz面测试方向图；

图11b图1所示实施例的天线10.486GHz激励的xoz面测试方向图；

图12a图1所示实施例的天线10.53GHz激励的xoz面测试方向图；

图12b图1所示实施例的天线10.53GHz激励的xoz面测试方向图；

图13a图1所示实施例的天线10.575GHz激励的xoz面测试方向图；

图13b图1所示实施例的天线10.575GHz激励的yoz面测试方向图。

具体实施方式

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单元分实施例，而不是全单元的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「中心」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。此外，在附图中，结构相似或相同的结构是以相同标号表示。

参阅图1至图3，其展示了本发明的基于SIW的滤波天线一实施例的整体结构示意图。如图所示，本实施例的基于SIW的滤波天线包括自上而下依次叠层设置的第一介质层10、第一金属层20、第二介质层30、第二金属层40；所述第一介质层10上设有第一馈电单元11以及辐射单元12，所述第二介质层30上设有滤波单元31，所述第一金属层20上设有用于所述第一馈电单11元与所述滤波单元31，所述滤波单元31与所述辐射单元12两两耦合的第一耦合孔21。

所述第一馈电单元11通过所述第一耦合孔21对所述滤波单元31进行耦合馈电，所述滤波单元31再进一步通过所述第一耦合孔21与所述辐射单元12耦合；基于SIW结构设计，从而实现高度集成，一定程度上减小了模型尺寸。

在本发明实施例中，如图2和图6所示，所述第二介质层30内嵌入有金属圆柱313阵列，所述金属圆柱313阵列围成具有开口的矩形结构而形成谐振腔，所述谐振腔作为所述滤波单元31，所述滤波单元31用于调节滤波天线的中心频率；具体地，如图2所示，所述第二介质层30为下述的矩形基板，所述金属圆柱313沿所述矩形基板四边均匀间隔摆列，并于右侧短边处设有开口，以形成所述谐振腔；在本发明的其它实施例中，所嵌入的金属圆柱313也可采用金属化过孔代替。

在某些实施例，例如本实施例中，所述谐振腔包括通过窗口耦合级联的第一谐振腔311与第二谐振腔312。具体地，如图2所示，所述金属圆柱32还沿所述谐振腔的矩形结构中心线均匀间隔摆列并同样设有开口，通过所述金属圆柱32将该所述矩形结构一分为二以形成所述第一谐振腔311与所述第二谐振腔312，并通过开口实现窗口耦合级联。

所述辐射单元12包括设于所述第一介质层10上表面具有通孔13的金属贴片，所述通孔13与所述金属圆柱313的形状、大小相同，且相对侧的所述通孔13依次对齐排列，并围成具有开口的矩形结构，以形成与所述谐振腔异面耦合级联的第三谐振腔。

可以理解地，利用窗口耦合的方式嵌入所述金属圆柱313构成两个SIW谐振腔，再通过所述第一介质层10表面处的金属贴片上的通孔布局，替代所述滤波单元31的最后一阶谐振腔；以实现SIW的第三个谐振腔，最终在S参数中实现滤波范围内能够出现三个频点(如图9所示)。

在某些实施例，例如本实施例中，本发明的滤波天线还包括叠层设于所述第二金属层40下方的第三介质层50，所述第三介质层50设有与所述第一馈电单元11相同的第二馈电单元51，所述第二金属层40设有与所述第一耦合孔21相同的第二耦合孔41，所述第一馈电单元11与所述第二馈电单元51形成差分式馈电并通过所述第一耦合孔21与所述第二耦合孔41进行耦合馈电。

具体地，如图2所示，所述第一介质层10的上表面和所述第二介质层30的下表面相对应的位置处均设有阻值为50Ω的矩形微带线而分别形成所述第一馈电单元11与所述第二馈电单元51；两所述矩形微带线形状、大小相同，其一端设于各自所在介质层的短边中心处且另一端沿介质层的长边方向延伸。

具体地，在本实施例中，第一介质层10的上表面所设置的矩形微带线的阻值为50Ω，该矩形微带线为长条形，其与第一介质层10的长边相互平行且其中一端延伸至第一介质层10的短边边缘，也即，该矩形微带线设于靠近第一介质层10的其中一短边的位置而远离所述金属贴片，与所述金属贴片分别设于第一介质层10的两短边侧。类似的，第三介质层50的下表面所设置的矩形微带线的阻值也为50Ω，该矩形微带线也为长条形，其与第三介质层50的长边相互平行且其中一端延伸至第三介质层50的短边边缘。第三介质层50上的矩形微带线与第一介质层10的矩形微带线所设置的位置相对应，当两介质层叠层在一起时，两矩形微带线相互对齐。

如图1和图2所示，在本实施例中，所述第一耦合孔21与所述第二耦合孔41形状大小均相同，其形状均为矩形。具体地，在本实施例中，第一耦合孔21与第二耦合孔41为沿着金属层的短边方向延伸的长条形矩形孔。两长条形矩形孔结构相同且所设置的位置相对应。当多个介质层和金属层叠层设置时，该两长条形矩形孔相互对齐且与介质层上的矩形微带线相互垂直。可理解地，为了满足其他设计需求，在其它实施例中第一耦合孔21与第二耦合孔41的形状也可设计为三角形或圆形，只要能够实现耦合作用即可。

在本具体实施例中，所述第一介质层10、所述第二介质层30与所述第三介质层50形状、大小相同，其均为矩形基板，且均优选地采用相对介电常数为2.2、厚度为0.508mm的Rogers材质的介质基板。

所述第一金属层20、所述第二金属层40、所述金属圆柱313以及所述辐射单元12的金属贴片均采用铜制材料。

参阅图2以及图4至图8的标注尺寸，本实施例中天线的具体参数如下：三个介质基板的材料和尺寸相同，厚度c为0.508mm，宽度b为26mm，长度a为40mm。三个介质基板之间的高度h为3mm。第一层介质基板处通孔13的所述金属贴片，贴片的长1b，宽1a及距离介质板边缘的间距1c分别为20.8mm、13.2mm、3.85mm，两个差分式馈电的所述矩形微带线的长度2a和宽度2b分别为12mm、1.2mm。所述第一耦合孔长度8a取5.2mm，宽度8b取2mm，位置取距离所述金属层的边缘距离8c为6.5mm，同时两个所述耦合孔上下完全对齐(即8a＝9a，8b＝9b，8c＝9c)。第二层介质基板中的所述金属圆柱直径取0.8mm，最上行所述金属圆柱从介质基板左侧边缘距离7b处嵌入，7b取2mm，距离基板中心高度7c为9.6mm，各个圆柱之间的距离取16a为1.2mm，所述第一谐振腔地所述金属圆柱间的距离12a为12.25mm，所述第一谐振腔311中窗口耦合的上下所述金属圆柱313之间的距离取14a为1.73mm，所述第二谐振腔312的所述金属圆柱313间的距离13a为11.5mm，所述第二谐振腔312中窗口耦合上下所述金属圆柱313之间的距离取15a为1.68mm，同时第一层介质基板处具有通孔13的所述金属贴片的所述通孔13长度大小与第二层介质基板中的所述金属圆柱完全相同，外圈的所述通孔13距离取16a为1.2mm，所述第二谐振腔312中上下所述金属圆柱313之间的距离相同均取15a为1.68mm。

参阅图9至图13b，图9为本实施例设置的单端口激励的具有三个谐振频点的滤波天线的仿真S参数曲线图，可以看到天线在10.48GHz具有一个谐振频点，在10.53GHz具有一个谐振频点，在10.57GHz也具有一个谐振频点；图10为天线的增益随频率变化的仿真曲线；在10.48G～10.58G的三个频点之间增益稳定，并且滤波天线的三个频点处的增益都大于4dBi，在第二个频点10.53G处增益取得最大为4.8dBi，本滤波天线有3个频点，其中10.486GHz处激励的xoz面仿真方向图与10.486GHz激励的yoz面仿真方向图，如图11a和11b所示，10.53GHz处激励的xoz面仿真方向图与10.53GHz激励的yoz面仿真方向图，如图12a和图12b所示，10.575GHz处激励的xoz面仿真方向图与10.575GHz激励的yoz面仿真方向图，如图13a和图13b所示，根据xoz面的仿真方向图，可以看到该滤波天线辐射在各个方向，再根据yoz面仿真方向图可以发现辐射在0°和180°时辐射最大。

本发明的基于SIW的滤波天线，采用基于SIW技术设置的双介质层与双金属层的集成结构，其结构简单，加工容易，通过异面波导与耦合馈电的方式解决了传统滤波器尺寸大、设计复杂的问题；从而实现高度集成，一定程度上减小了模型尺寸。此外，基于SIW技术设计的差分式耦合馈电方式以及使用了以Rogers材料的介质基板构成滤波器，进一步提高了模型性能；通过谐振腔之间的耦合形成具有三阶谐振腔的滤波器结构，从而实现了高选择性和高辐射频率的滤波效果。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (6)

1.一种基于SIW的滤波天线，其特征在于，包括自上而下依次叠层设置的第一介质层、第一金属层、第二介质层、第二金属层；所述第一介质层上设有第一馈电单元以及辐射单元，所述第二介质层上设有滤波单元，所述第一金属层上设有第一耦合孔，所述第一耦合孔用于所述第一馈电单元与所述滤波单元以及所述滤波单元与所述辐射单元两两耦合；

其中，所述滤波天线还包括叠层设于所述第二金属层下方的第三介质层，所述第三介质层设有与所述第一馈电单元相同的第二馈电单元，所述第二金属层设有与所述第一耦合孔相同的第二耦合孔，所述第一馈电单元与所述第二馈电单元形成差分式馈电并通过所述第一耦合孔与所述第二耦合孔进行耦合馈电；

所述第二介质层内嵌入有金属圆柱阵列，所述金属圆柱阵列围成具有开口的矩形结构而形成谐振腔，所述谐振腔作为所述滤波单元；

所述谐振腔包括通过窗口耦合级联的第一谐振腔与第二谐振腔；

所述辐射单元包括设于所述第一介质层上表面且具有通孔的金属贴片，所述通孔与所述金属圆柱的形状、大小相同，并围成具有开口的矩形结构，以形成与所述谐振腔耦合级联的第三谐振腔。

2.根据权利要求1所述的基于SIW的滤波天线，其特征在于，所述第一介质层的上表面和所述第二介质层的下表面相对应的位置处均设有阻值为50Ω的矩形微带线而分别形成所述第一馈电单元与所述第二馈电单元。

3.根据权利要求2所述的基于SIW的滤波天线，其特征在于，所述矩形微带线形状从各自所在介质层的短边中心处沿着介质层的长边方向延伸。

4.根据权利要求3所述的基于SIW的滤波天线，其特征在于，所述第一金属层、第二金属层、金属圆柱、金属贴片以及矩形微带线均采用铜材料制成。

5.根据权利要求1所述的基于SIW的滤波天线，其特征在于，所述第一耦合孔与所述第二耦合孔形状大小均相同，其形状为矩形或三角形或圆形。

6.根据权利要求1所述的基于SIW的滤波天线，其特征在于，所述第一介质层、所述第二介质层与所述第三介质层形状、大小相同，且均为相对介电常数为2.2、厚度为0.508mm的Rogers材质介质基板。