CN117060081A - 一种应用于太赫兹通信的矩形波导结构滤波天线和rffe*** - Google Patents
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Abstract
本发明属于太赫兹通信领域，公开了一种应用于太赫兹通信的矩形波导结构滤波天线和RFFE***，包括：直线型矩形波导谐振腔耦合滤波器，在馈入D波段信号的同时实现滤波效果；矩形波导缝隙天线阵列，所述直线型天线阵替代了滤波器最后一阶谐振腔，避免了复杂匹配电路的设计；所述缝隙天线采用泰勒分布的形式进行激励，实现了增益的提高以及方向性的提升。本发明具体提出了一种应用于太赫兹通信的矩形波导结构滤波天线，其设计紧凑、制作简单、成本低廉，具备了滤波器的选频功能以及天线的辐射功能，可应用于太赫兹通信***使得其硬件结构大大简化。
Description
技术领域
本发明属于射频通信技术领域，尤其是涉及一种应用于太赫兹通信的矩形波导结构滤波天线和RFFE***。
背景技术
随着万物互联的物联网(IoE)时代来临，越来越多通信终端接入通信***，这导致网络容量和带宽需求大大增加，频谱资源竞争和信号干扰等问题越来越严重。太赫兹通信以其超宽带以及高数据传输速率等优势得到了广泛研究。
然而太赫兹通信技术的发展面临着许多难点和挑战。例如从频谱管理、信息安全到技术实现等一系列问题。由于通信频段高，其电磁损耗问题不可避免，这需要太赫兹通信***不仅要具有高的增益，还需要减少***损耗的产生。此外，更为重要的是太赫兹通信的硬件部分不仅加工制造复杂，而且太赫兹波产生和检测的效率低、频率稳定性差。如何提高太赫兹通信器件性能的同时减少加工难度和成本成为人们广泛研究的热点。
立足于太赫兹通信的前景和需要，我们将滤波天线应用于太赫兹通信领域。天线和滤波器作为RFFE的关键组成器件，他们对于RFFE***性能的好坏起着至关重要的作用。将上述两种器件集成融合，不仅是射频***单片集成化的趋势的要求，该融合的方式也避免了天线和滤波器之间复杂的接口电路以及阻抗匹配网络，使得体积大大减小，性能也得到改善。结合太赫兹通信的需求，我们把太赫兹滤波器及太赫兹天线融合设计，提出了应用于太赫兹通信的滤波天线。传统的滤波天线采用滤波器和天线器件直接级联的设计方法，但是该设计方法仍然需要滤波器结构的存在，所以滤波器的损耗依旧不可避免。此外，传统设计中天线和滤波器之间的阻抗匹配仍需重点关注和设计。由此提出了一种基于矩形波导结构的滤波天线，采用等效替代法将天线作为滤波器的一部分进行集成设计，这样可以减小滤波器损耗的影响。此外，该器件设计中滤波器和天线均采用相同标准的矩形波导结构，使得阻抗匹配自动实现无需进行匹配电路或者匹配结构的设计。
发明内容
发明目的：为克服现有技术的局限以及不足，本发明提出一种应用于太赫兹通信的矩形波导结构滤波天线和RFFE***。在提高了器件集成度的同时使得器件的性能得到提升，无需使用复杂的接口进行阻抗匹配，而且采用矩形波导结构加工成本低且加工难度小。最为重要的一点是该设计方法采用了等效替换的思路，将天线的馈线设计为具有滤波功能的耦合谐振腔体滤波器，使得滤波器的影响降低至最小。
技术方案：
为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案在矩形波导结构滤波天线中进行具体应用：
一种应用于太赫兹通信的矩形波导结构滤波天线，所述的矩形波导结构滤波天线(1)包括高频段直线型矩形波导谐振腔耦合滤波器模块(3)以及矩形波导缝隙天线阵列模块：
所述高频段直线型矩形波导谐振腔耦合滤波器模块(3)包括输出端口(4)、多个矩形波导耦合谐振腔体(5)、多个感性耦合窗口(6)以及输入端口(7)；所述输出端口(4)连接所述矩形波导缝隙天线阵列模块；
所述矩形波导缝隙天线阵列模块包括直线型缝隙天线阵列(2)、短路端口(8)、多个波导缝隙结构(9)以及输入端口(10)：所述输入端口(10)连接于所述输出端口(4)。
优选的，所述直线型缝隙天线阵列(2)为泰勒分布式矩形波导缝隙直线阵列。
优选的，通过改变所述矩形波导耦合谐振腔体(5)的长度li、宽度a以及高度b来实现高频段直线型矩形波导谐振腔耦合滤波器模块(3)工作于120GHz，具体谐振公式为：
其中，参数m取值为1，参数n取值为0，参数p取值为1，a的取值范围为2-4μm，b的取值为1-2μm，μ以及ε分别代表谐振腔中空气的磁导率以及介电常数，f取值120GHz。
优选的，所述矩形波导耦合谐振腔体(5)的个数为5个，即i的取值为1-5，则有：l1、l2、l4、l5的取值范围为1～2，l3的取值范围为2～4；单位为μm。
优选的，所述性耦合窗口(6)的个数为5个，5个所述性耦合窗口(6)的宽度的取值范围分别为：W01＝0.5～4，W12＝0.5～2，W23＝0.5～2，W34＝1～2，W45＝1～2，单位为μm。
优选的，所述缝隙结构(9)采取的开缝方式包括旋转式缝隙、横向缝隙、纵向缝隙以及在直线型缝隙天线阵列(2)侧边进行开缝。
优选的，所述缝隙结构(9)的个数为9个，定义缝隙结构(9)的中心线到直线型缝隙天线阵列(2)的中心线的距离为dj，其中j的取值为1-9，则有：d1-d5的取值范围均为：0.5～2；d6-d9的取值范围为：0.1～1，单位为μm。
一种RFFE***，包括如权利要求1所述的矩形波导结构滤波天线，所述RFFE***还包括收发组件模块、基带处理模块、电源模块，所述矩形波导结构滤波天线和所述收发组件模块通过50Ω阻抗匹配线连接。
有益效果：
1.本发明采用的矩形波导结构滤波天线，可通过前端的耦合腔体滤波器进行馈电，在实现了激励电磁波的同时也实现了杂波的抑制和滤除，提高了阻带抑制效果。
2.本发明采用的矩形波导结构滤波天线，自动保证了接口的匹配，不必再设计额外的匹配结构，不仅提高了器件的集成度也使得器件性能得到提升。
3.本发明采用的矩形波导结构滤波天线，使用等效法进行设计，利用天线作为滤波器的最后一阶谐振腔，与传统的级联方法相比使得滤波器损耗的影响降低。
附图说明
图1是本发明矩形波导结构滤波天线的应用及功能示意图；
图2是使用本发明后简化的RFFE***示意图；
图3是本发明矩形波导结构滤波天线的整体结构示意图；
图4是高频段直线型矩形波导谐振腔耦合滤波器模块的结构示意图；
图5是矩形波导缝隙天线阵列模块结构示意图；
图6是矩形波导结构滤波天线的结构尺寸参数；
图7(1)是矩形波导谐振腔的长度、宽度参数；
图7(2)是耦合窗口宽度的宽度参数；
图8是高频段直线型矩形波导谐振腔耦合滤波器模块的S21随谐振腔长度变化曲线图；
图9是高频段直线型矩形波导谐振腔耦合滤波器模块的S11随谐振腔长度变化曲线图；
图10是矩形波导缝隙天线阵列模块的关键尺寸参数；
图11是矩形波导缝隙天线阵列模块S11随缝隙宽度变化曲线图；
图12是矩形波导缝隙天线阵列模块电压驻波比随缝隙宽度变化曲线图；
图13是矩形波导缝隙天线阵列模块的二维辐射方向图；
图14是矩形波导缝隙天线阵列模块的三维辐射方向图；
图15是矩形波导结构滤波天线的电压驻波比随缝隙宽度的变化曲线；
图16是矩形波导结构滤波天线的S11曲线及增益曲线；
图17是矩形波导结构滤波天线的二维辐射方向图；
图18是矩形波导结构滤波天线的三维辐射方向图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
图1是本发明滤波天线的应用情景及功能示意图。从图中可以看出使用了滤波天线之后，RFFE的结构大大简化，不必再使用大量的滤波器组进行滤波。滤波天线兼具了天线的辐射功能以及滤波器的通带选择功能。其S21曲线仅在特定频率内具有极低的损耗，实现了滤波器的效果。此外，在该频段内还具有辐射增益，实现了天线的远场辐射功能。
图2是使用滤波天线进行简化的板级RFFE***。它包括了基带信号处理模块、电源供电、收发组件模块以及将滤波器和天线融为一体的滤波天线。滤波天线和有源收发组件的连接依靠的是50Ω阻抗匹配线，实现了信号的最大功率传输。由图中可见使用了本发明后RFFE结构的复杂度大大减小，可通过模块化芯片在PCB板上直接搭建；也大大简化设计的复杂程度，设计人员只需要了解端口特性及端口功能，掌握阻抗匹配技巧即可完成射频前端***的设计制作。
图3是本发明滤波天线的整体结构示意图。1为其整体结构，它包括3高频段直线型矩形波导谐振腔耦合滤波器模块以及2矩形波导缝隙天线阵列模块。采用矩形波导作为本发明设计结构出于两点考虑：一是加工简单，成本低；再一个就是矩形波导结构具有功率容量大、品质因数高等优势，被广泛地应用在高频以及太赫兹领域内。该直线型滤波天线也可进一步扩展，通过多根滤波天线并联实现由直线型滤波天线到平面型滤波天线的转变。并联拓展之后，该滤波天线的增益，辐射方向性以及主瓣宽度等指标均会得到改善和提升。
图4是滤波天线的直线型矩形波导谐振腔耦合滤波器模块。其中3为其整体结构，它包括4输出端口、5矩形波导耦合谐振腔体、6为感性耦合窗口以及7输入端口。输出端口4连接后端的矩形波导缝隙天线阵列，即把该直线型滤波器当作缝隙天线阵列的馈电网络，也可以看作把缝隙天线当作滤波器的最后一阶耦合谐振腔体。5是该滤波器模块的矩形波导耦合谐振腔单元，他是滤波器模块的基本组成单元，通过不同谐振腔之间的耦合作用实现滤波功能。谐振腔体的长度是一个极为关键的参数，该参数控制着谐振腔的谐振频率，从而也决定了滤波器的工作频段，通过改变矩形波导谐振腔的长度li、宽度a以及高度b来实现滤波器工作于120GHz。具体谐振公式如下：
本发明采用主模TE10模的传播模式，所以该传输模式下
结构6是该滤波器的耦合感性耦合窗口，即每个谐振腔之间的连接窗口，该结构宽度控制着谐振腔之间的耦合强度。谐振耦合窗口的宽度越大则耦合强度越大，形成紧耦合，使得滤波器带宽减小；同样当窗口宽度减小，带宽也会因为耦合强度的降低而展宽。此外，该矩形波导的输入端口7以及输出端口4的宽度和高度，即后图7中所标注的a，b也十分关键。其决定了矩形波导结构的主模形式，当尺寸选择不合适时会造成高次模的产生，影响电磁波传输。
图5是滤波天线的矩形波导缝隙天线阵列模块的整体结构图。它包括直线型缝隙天线阵列整体结构2、短路端口8、波导缝隙结构9以及输入端口10。输入端口所连接的即滤波器模块，所以从天线角度来看直线型矩形波导谐振腔耦合滤波器是该天线阵列的馈电结构；同样从滤波器角度来看该天线可看作滤波器的最后一阶耦合谐振腔。缝隙结构9可以采取多种开缝方式，例如旋转式缝隙、横向缝隙、纵向缝隙以及在波导侧边进行开缝的方式。本发明采用纵向开缝的方式，此开缝方式便于加工和设计，误差敏感性较低能够忍耐一定的加工误差，当缝隙的宽度远小于一个波长后，该天线的辐射特性基本于缝隙宽度无关。
单一的辐射分析不能够满足通信***辐射强度以及辐射方向性的要求，为了提高辐射增益以及辐射的方向性，采用泰勒分布式矩形波导缝隙直线阵。泰勒分布式即每条缝隙的激励电流幅值按照泰勒分布的规律进行馈电，通过该技术手段使得天线的增益和反方向性大大提升。
图6是本发明滤波天线具体结构和关键尺寸示意图。通过调整尺寸参数使得滤波天线性能满足通信***要求。当各个尺寸参数取值在表1所示范围中时，能够得到滤波特性和辐射特性均优异的滤波天线。在众多关键参数中优化效果最为显著的即缝隙中心距离矩形波导中心的距离di，之所以如此是因为该参数决定了每条缝隙的馈电幅值。为了使得每条缝隙的激励电流幅值满足泰勒分布规律，必须通过HFSS电磁仿真软件进行大量仿真。此外对于滤波特性来说最为重要的参数即谐振腔腔体的长度li他决定了滤波器的工作频段以及谐振模式。具体优化后的尺寸参数范围如表1所示，表中虽然并未显示每条缝隙的尺寸，但是每条缝隙均需要满足以下条件：
1.缝隙长度为四分之一波长(工作中心频率处)；
2.缝隙宽度远远小于一个波长(工作中心频率处)。
唯有满足上面的2个基本条件，该缝隙天线阵列才会具有最为优异的辐射特性以及方向特性。
表1.滤波天线关键尺寸范围
图7是该滤波天线的馈电结构即滤波器模块的关键尺寸。通过设计合适的耦合谐振窗口宽度Wij，能够使该滤波器模块的滤波响应得到改善，例如谐振点之间的频宽、通带内损耗以及阻带抑制水平。耦合谐振窗口宽度Wij的设计与滤波器相邻的耦合谐振腔之间的耦合强度相关。耦合强度通过耦合系数这一参数进行表征，具体公式如下：
其中ki，j+1即为耦合系数，gi代表滤波器所对应的低通原型滤波器元件数值。计算出耦合系数便可通过HFSS仿真得到满足耦合系数的耦合窗口宽度Wij。具体的滤波器关键尺寸参数如表2所示，当尺寸位于表2范围内，该滤波器具有较佳滤波效果。
图8是矩形波导滤波器在不同谐振腔长度l下的S21曲线。由于输入端口位于***最前端，他与功率源距离最近，所以第一个谐振腔的尺寸对整体滤波特性影响最为显著。由图可知改变第一个谐振腔的腔体长度l1，其整体的滤波效果不变，只是滤波的中心频率发生频偏。这与之前所述的理论相吻合，即谐振腔长度影响滤波中心频率。通过合适调整尺寸参数(尺寸范围如表2所示)使得滤波器的中心频率位移120GHz，其损耗仅为0.04dB。
表2.滤波器模块关键尺寸范围
图9是矩形波导滤波器在不同谐振腔长度l下的S11曲线。同样是由于输入端口位于***最前端，他与功率源距离最近，所以第一个谐振腔的尺寸对整体滤波特性影响最为显著。由图可知改变第一个谐振腔的腔体长度l1，其整体的回波曲线不变，只是回波曲线的中心频率发生频偏。这与之前所述的S21曲线相互对应，即回波越小所对应的损耗越低。通过合适调整尺寸参数(尺寸范围如表2所示)使得滤波器的中心频率位移120GHz，其回波小于-15dB。
图10是缝隙天线阵列的尺寸参数。从图中可以看出除了之前所述缝隙所在位置di对辐射特性有显著影响外，矩形波导所开缝隙的宽度和长度对于辐射特性的影响也十分关键。为了方便加工和设计设定每个缝隙的宽度和长度都是一样的，且满足以下两个条件：
1.
2.w＜＜λ0
只有满足这两个条件后研究电流分布对缝隙的激励情况才有意义。
图11是波导缝隙天线阵列的回波损耗曲线S11随着缝隙宽度w的变化图。可以从图中看到随着分析宽度的改变缝隙天线阵列的谐振频率发生改变，当缝隙宽度足够小则缝隙的宽度对谐振的影响将趋于稳定。通过选择合适的缝隙宽度使得谐振频率位于120GHz处。此时缝隙的宽度为w4＝0.1mm。
图12是该滤波天线的天线阵列模块的电压驻波比随缝隙宽度的变化趋势。可以从图中看到随着缝隙宽度的改变，该天线阵列的电压驻波比也发生偏移。通过不断优化调整，使得该天线阵在120GHz附近有最低电压驻波比。可看到宽度取w4时该天线阵的电压驻波比也在1.5以下，体现出较好的传输特性。
图13是矩形波导缝隙阵列的二维辐射方向图。从图中可以看到该天线阵列的E面以及H面辐射特性以及方向特性。副瓣电平比主瓣电平要低近15dB，此外半功率主瓣宽度大约是13°，具有较窄的主瓣宽度。
图14是矩形波导缝隙阵列的三维辐射方向图。该天线阵列的最大辐射方向即主瓣方向与天线阵列垂直，所以该阵列为边射阵。最大增益为20dBi。
图15是矩形波导滤波天线电压驻波比随缝隙宽度变化曲线图。可以从图中看到，随着缝隙宽度的改变，电压驻波比也在相应地发生变化，当处于工作频率范围内电压驻波比达到最小水平。根据放大图曲线可以看到，在120GHz中心频率处的电压驻波比小于1.5。
图16是矩形波导滤波天线辐射特性曲线图以及滤波特性曲线图。该曲线也是滤波天线最为重要的曲线，他表明该天线融合了滤波器的选频功能以及天线的辐射功能，实现了二者的统一。由橙色S11曲线可以看出该滤波天线工作于较宽的频率范围内，之所以产生这种宽带效应是由于附加的滤波器馈电网络引入了多余的谐振点。蓝色的辐射增益曲线表示在较宽的频带范围内(110～130GHz)该滤波天线均有较高的辐射增益，中心频率120GHz处的增益为14dBi。
图17是矩形波导滤波天线的二维辐射方向图。从图中可以看到该天线阵列的E面以及H面辐射特性以及方向特性。副瓣电平比主瓣电平要低近15dB，此外半功率主瓣宽度大约是11°，具有较窄的主瓣宽度。相较于单纯的天线阵列该结构的辐射增益，旁瓣抑制水平以及辐射方向性均得到了提高。最为重要的一点是该结构也具备了滤波的功能，对于RFFE***的小型化具有十分重要的意义。
图18是矩形波导滤波天线的三维辐射方向图。该天线阵列的最大辐射方向即主瓣方向与天线阵列垂直，所以该阵列为边射阵。最大增益为20dBi。
以上内容是结合图示对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明，以上所述仅是本发明的优选实施方式。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种应用于太赫兹通信的矩形波导结构滤波天线，其特征在于，所述的矩形波导结构滤波天线(1)包括高频段直线型矩形波导谐振腔耦合滤波器模块(3)以及矩形波导缝隙天线阵列模块：
所述高频段直线型矩形波导谐振腔耦合滤波器模块(3)包括输出端口(4)、多个矩形波导耦合谐振腔体(5)、多个感性耦合窗口(6)以及输入端口(7)；所述输出端口(4)连接所述矩形波导缝隙天线阵列模块；
所述矩形波导缝隙天线阵列模块包括直线型缝隙天线阵列(2)、短路端口(8)、多个波导缝隙结构(9)以及输入端口(10)：所述输入端口(10)连接于所述输出端口(4)。
2.如权利要求1所述的一种应用于太赫兹通信的矩形波导结构滤波天线，其特征在于，所述直线型缝隙天线阵列(2)为泰勒分布式矩形波导缝隙直线阵列。
3.如权利要求1所述的一种应用于太赫兹通信的矩形波导结构滤波天线，其特征在于，通过改变所述矩形波导耦合谐振腔体(5)的长度li、宽度a以及高度b来实现高频段直线型矩形波导谐振腔耦合滤波器模块(3)工作于120GHz，具体谐振公式为：
其中，参数m取值为1，参数n取值为0，参数p取值为1，a的取值范围为2-4μm，b的取值为1-2μm，μ以及ε分别代表谐振腔中空气的磁导率以及介电常数，f取值120GHz。
4.如权利要求2所述的一种应用于太赫兹通信的矩形波导结构滤波天线，其特征在于，所述矩形波导耦合谐振腔体(5)的个数为5个，即i的取值为1-5，则有：l1、l2、l4、l5的取值范围为1～2，l3的取值范围为2～4；单位为μm。
5.如权利要求1所述的一种应用于太赫兹通信的矩形波导结构滤波天线，其特征在于，所述性耦合窗口(6)的个数为5个，5个所述性耦合窗口(6)的宽度的取值范围分别为：W01＝0.5～4，W12＝0.5～2，W23＝0.5～2，W34＝1～2，W45＝1～2，单位为μm。
6.如权利要求1所述的一种应用于太赫兹通信的矩形波导结构滤波天线，其特征在于，所述缝隙结构(9)采取的开缝方式包括旋转式缝隙、横向缝隙、纵向缝隙以及在直线型缝隙天线阵列(2)侧边进行开缝。
7.如权利要求1所述的一种应用于太赫兹通信的矩形波导结构滤波天线，其特征在于，所述缝隙结构(9)的个数为9个，定义缝隙结构(9)的中心线到直线型缝隙天线阵列(2)的中心线的距离为dj，其中j的取值为1-9，则有：d1-d5的取值范围均为：0.5～2；d6-d9的取值范围为：0.1～1，单位为μm。
8.一种RFFE***，其特征在于，包括如权利要求1所述的矩形波导结构滤波天线，所述RFFE***还包括收发组件模块、基带处理模块、电源模块，所述矩形波导结构滤波天线和所述收发组件模块通过50Ω阻抗匹配线连接。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311255123.5A CN117060081A (zh) | 2023-09-27 | 2023-09-27 | 一种应用于太赫兹通信的矩形波导结构滤波天线和rffe*** |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311255123.5A CN117060081A (zh) | 2023-09-27 | 2023-09-27 | 一种应用于太赫兹通信的矩形波导结构滤波天线和rffe*** |
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| CN117060081A true CN117060081A (zh) | 2023-11-14 |
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Family Applications (1)
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