一种双带毫米波滤波天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其是一种双带毫米波滤波天线。

背景技术

随着无线数据流量的爆炸性增长，低频频谱资源日益紧张，向高频段发展是5G通信的必然趋势。目前，有多个频段被计划用于5G通信，分为24.25–29.5GHz和37–43.5GHz。天线是接收和发送无线电波的基本装置，为发射机或接收机与传播无线电波的媒质之间提供所需要的耦合。滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过而极大衰减其他频率成分，并且可以消除通信中的噪声干扰。两者都是通信系统中的重要无源器件，但是两者的简单级联一般会带来一定的插入损耗，影响系统辐射效率。因此，在2002年滤波天线的概念被具体提出，它同时集成了滤波器和天线的功能，消除了两者级联带来的插入损耗并且一定程度上提高了系统的集成度，具有很高的实际应用价值。现有的毫米波滤波天线主要存在以下问题：仅能在单个频段工作。已发表的毫米波滤波天线的相关专利都只能工作在单个频段，无法实现双频应用；结构复杂，例如毫米波滤波天线一般利用基片集成波导(SIW)技术作为馈电结构，但它们的结构都相对复杂，通常具有三层以上的PCB结构，而复杂的结构除了带来较高的材料成本，也会带来较高的工艺成本，从而导致生产成本高。

术语解释：

天线：在无线电设备中，用来辐射和接收无线电波的装置。

滤波天线：集成了滤波器功能的天线，它可以在接收或发射信号的同时实现对特定频率范围内信号的滤波处理。这种天线可以在无线通信系统中起到信号选择和抑制干扰的作用，提高了系统的性能和可靠性。

双带天线：可以同时工作在两个频段的天线。

基片集成波导技术：英文名为Substrate Integrated Waveguide，简称SIW，是一种新的微波传输线形式，利用金属通孔在介质基片上实现波导的场传播模式。

发明内容

针对目前的毫米波滤波天线存在的结构复杂、成本高等技术问题，本发明的目的在于提供一种双带毫米波滤波天线。

本发明实施例包括一种双带毫米波滤波天线，所述双带毫米波滤波天线包括：

多零点谐振器；所述多零点谐振器设有辐射缝隙；

第二基板；所述第二基板的一面与所述多零点谐振器的所述缝隙所在一面贴合；

辐射贴片；所述辐射贴片设置在所述第二基板的另一面，所述辐射贴片设有H形缝隙；

若干个短接柱；所述短接柱穿通所述第二基板，所述短接柱接通所述辐射贴片与所述第二基板的另一面。

进一步地，所述多零点谐振器为单层SIW缝隙天线。

进一步地，所述多零点谐振器包括：

第一基板；

覆铜层；所述覆铜层设置在所述第一基板的一面；

辐射缝隙；所述辐射缝隙由所述覆铜层形成；

SIW腔体；所述SIW腔体包括若干金属化过孔，所述金属化过孔穿通所述第一基板，设置于所述辐射缝隙的周边形成一个矩形区域；

所述SIW腔体各边作为短路壁，辐射缝隙与SIW腔体的一个短路壁距离可以调谐一个辐射零点，所述辐射缝隙与所述短路壁之间的距离为辐射零点对应频率的1/4波导波长；

进一步地，所述多零点谐振器还包括：

馈电探针；所述馈电探针穿通所述第一基板，所述馈电探针作为所述多零点谐振器的馈电点；所述馈电探针与所述SIW腔体的一个短路壁的距离可以调谐两个辐射零点，所述馈电探针与所述短路壁之间的距离为其形成的低频辐射零点对应频率的半个波导波长整数倍。

进一步地，所述多零点谐振器还包括：

SMA连接器；所述SMA连接器设置在所述第一基板的另一面，所述SMA连接器与所述馈电探针连接。

进一步地，所述辐射贴片刻蚀出H形缝隙；所述H形缝隙包括腹缝隙、第一翼缘缝隙、第二翼缘缝隙、第三翼缘缝隙和第四翼缘缝隙；其中，所述第一翼缘缝隙和所述第二翼缘缝隙与所述腹缝隙的一端连接，所述第三翼缘缝隙和所述第四翼缘缝隙与所述腹缝隙的另一端连接；

所述腹缝隙与所述辐射缝隙平行。

进一步地，所述若干个短接柱包括第一短接柱、第二短接柱、第三短接柱和第四短接柱；

所述第一短接柱和所述第二短接柱连接所述辐射贴片的第一部分，所述第三短接柱和所述第四短接柱连接所述辐射贴片的第二部分；其中，所述辐射贴片的第一部分为位于所述第一翼缘缝隙和所述第二翼缘缝隙一侧的部分，所述辐射贴片的第二部分为位于所述第三翼缘缝隙和所述第四翼缘缝隙一侧的部分。

本发明的有益效果是：实施例中的双带毫米波滤波天线，通过在结构简单的多零点谐振器的基础上，加载第二基板、辐射贴片和短接柱等结构，从而能够以仅有两层基板的简单结构，实现具有双带和良好滤波功能的毫米波天线；由于双带毫米波滤波天线仅包含两层介质基板及其相关部件，因此具有结构简单、成本低、易加工、易维护等优点；由于具有双带功能，能同时在两个频段工作，因此有利于天线的小型化；由于使用了多零点谐振器，因此双带毫米波滤波天线具有足够的辐射零点，保证了天线的带外抑制程度和滚降；由于双带毫米波滤波天线的低频通带和高频通带两边各有一个辐射零点，保证了很高的频率选择特性，频率选择性能好。

附图说明

图1为实施例中双带毫米波滤波天线的爆炸视图；

图2为实施例中多零点谐振器的结构示意图；

图3为实施例中多零点谐振器的S参数与增益图；

图4为实施例中H形缝隙的结构示意图；

图5为实施例中双带毫米波滤波天线的S参数与增益图；

图6为实施例中双带毫米波滤波天线在一个通带的辐射方向图；

图7为实施例中双带毫米波滤波天线在另一个通带的辐射方向图。

具体实施方式

本实施例中，双带毫米波滤波天线的爆炸视图如图1所示。参照图1，双带毫米波滤波天线中包括多零点谐振器、第二基板、辐射贴片和若干个短接柱。其中，多零点谐振器设有辐射缝隙，第二基板的一面(即图1中第二基板朝下的那一面)与多零点谐振器的辐射缝隙所在的那一面贴合，第二基板的另一面(即图1中第二基板朝上的那一面)设有辐射贴片，辐射贴片设有H形缝隙。具体地，可以使用铜等材质，在第二基板上制作辐射贴片，然后在辐射贴片上刻蚀出H形缝隙。

参照图1，短接柱穿通第二基板，每个短接柱的一端与辐射贴片连接，另一端与第二基板的另一面连接。

本实施例中，所使用的多零点谐振器为单层SIW缝隙天线，多零点谐振器的结构如图2所示。参照图2，多零点谐振器包括第一基板、覆铜层、辐射缝隙和若干个金属化过孔。其中，第一基板的一面(即图2中第一基板朝上的那一面，也是图1中第一基板与第二基板相对的那一面)设有覆铜层，在覆铜层刻蚀出一条槽，从而形成辐射缝隙，以辐射缝隙作为多零点谐振器的辐射缝隙。

参照图2，金属化过孔穿通第一基板，围绕着辐射缝隙进行设置。金属化过孔设置于辐射缝隙的周边，形成一个矩形区域，从而形成SIW腔体。SIW腔体各边作为短路壁，辐射缝隙与SIW腔体的一个短路壁距离可以调谐一个辐射零点。其中，辐射缝隙与短路壁之间的距离，可以精确等于其形成的辐射零点对应频率的1/4波导波长，也可以大约等于辐射零点对应频率的1/4波导波长。

参照图1和图2，多零点谐振器还设有馈电探针。馈电探针穿通第一基板，馈电探针的一端与覆铜层连接，另一端延伸到第一基板的另一面(即图2中第一基板朝下的那一面)，以馈电探针作为多零点谐振器的馈电点。馈电探针与SIW腔体的一个短路壁的距离可以调谐两个辐射零点。其中，馈电探针与短路壁之间的距离，可以精确等于其形成的低频辐射零点对应频率的半个波导波长整数倍，也可以大约等于低频辐射零点对应频率的半个波导波长整数倍。

本实施例中，可以使用带有探针的SMA连接器与馈电柱连接，SMA连接器可以设置在第一基板的另一面(即图2中第一基板朝下的那一面)，由SMA连接器接受馈电信号。

本实施例中，多零点谐振器中的第一基板为厚度为0.787mm的Rogers 5880基板，相对介电常数为2.2，尺寸为11.2mm×9.6mm。通过带有金属探针的SMA连接器进行馈电，其中金属探针的直径为0.6mm，金属探针与最接近的第一基板的边缘的间距为4.85mm。多零点谐振器中的辐射缝隙作为辐射缝隙，辐射缝隙的尺寸为4.1mm×0.8mm，辐射缝隙的中心与最接近的第一基板的边缘的间距为2.95mm。多零点谐振器中的金属化过孔的直径为1.2mm，各金属化过孔在第一基板的边缘密排，相邻的两个金属化过孔的孔间中心距为1.6mm。

本实施例中，图2所示的多零点谐振器的S参数与增益图如图3所示。参照图3，可以发现多零点谐振器可以产生包括谐振点1和谐振点2在内的两个谐振点，以及包括辐射零点1、辐射零点2和辐射零点3在内的三个辐射零点。其中，零点1的产生机理是：当接入SMA连接器等外部连接器，多零点谐振器中的SIW腔体将被SMA连接器中的探针分为两个部分，当腔体边缘与探针的间距接近腔内电磁波波长的一半时，电磁波主要集中在同轴探头和SIW腔体边缘之间，能量很难从缝隙中辐射出去，因此形成辐射零点1；可以推导出，在较大的部分腔以高阶模共振的频率处，也会存在辐射零点，当馈电频率增大到41GHz时，尽管产生了高次模，但依旧只有很少能量从缝隙中辐射出来，从而形成辐射零点3，因此，辐射零点1和辐射零点3这两个辐射零点是由馈电位置决定的；辐射零点2的产生机制则与其他两个辐射零点不同，由于多零点谐振器中的SIW腔体可以视为边缘短路，在多零点谐振器中具有最大电流，在33.8GHz下，在距离短边四分之一波长处会有一个最小电流位置，当辐射缝隙设计在这个最小电流位置时，在相应的频率上可以辐射的能量很少，从而产生辐射零点2，因此辐射零点2是由辐射缝隙的位置决定的。

本实施例中，第二基板与第一基板具有相同的材质、相同的介电常数以及相同的尺寸，例如，可以使用相对介电常数为2.2、厚度为0.787mm、尺寸为11.2mm×9.6mm的Rogers5880基板作为第二基板。

本实施例中，第二基板上的辐射贴片所设的H形缝隙的结构如图4所示。参照图4，H形缝隙是一个形如字母“H”的缝隙，包括腹缝隙、第一翼缘缝隙、第二翼缘缝隙、第三翼缘缝隙和第四翼缘缝隙等部分。其中，腹缝隙作为“H”中的横杠部分，第一翼缘缝隙和第二翼缘缝隙与腹缝隙的一端连接，作为“H”中左侧的部分，第三翼缘缝隙和第四翼缘缝隙与腹缝隙的另一端连接，作为“H”中右侧的部分。参照图1，当组装好之后，H形缝隙中的腹缝隙与多零点谐振器中的辐射缝隙平行。

本实施例中，参照图4，H形缝隙将辐射贴片分为四部分，其中最左侧的部分为第一部分，最右侧的部分为第二部分。第二基板上设有第一短接柱、第二短接柱、第三短接柱和第四短接柱等4个短接柱。第一短接柱和第二短接柱连接辐射贴片的第一部分，第三短接柱和第四短接柱连接辐射贴片的第二部分。

本实施例中，双带毫米波滤波天线的工作原理在于：参照图1，双带毫米波滤波天线可以视为由位于下方的多零点谐振器，以及第二基板、辐射贴片和短接柱等结构组成，双带毫米波滤波天线的S参数与增益图如图5所示；参照图5，对于第二基板、辐射贴片和短接柱等结构，通过使用矩形贴片作为辐射贴片，可以在图3所示的多零点谐振器的S参数与增益图的基础上，在38.3GHz激发额外的谐振点，而通过在辐射贴片刻蚀出H形缝隙，可以在两个通带之间的阻带形成一个额外的辐射零点；通过比较图3和图5可知，一方面，由于这个额外的零点在零点2附近，此时辐射缝隙与辐射贴片之间的耦合能量本身就很小，另一方面，辐射贴片上的弱电流大都异向，导致了天顶方向上的相互抵消，而通过加载若干个短接柱，可以在不影响高频通带的情况下激发低频的额外模式，并且可以控制额外产生的辐射零点；最终，参照图5，双带毫米波滤波天线在高低通带各有两个谐振模式保证带宽，在其两边的阻带也各有一个辐射零点以保证优秀的频率选择特性。

参照图5，双带毫米波滤波天线的带内增益分别为8和7.5dBi，三个阻带的带外抑制水平分别大于17db、27db和19db，达到良好的水平。

图6和图7分别展示了双带毫米波滤波天线两个通带的辐射方向图。其中，参照图6，双带毫米波滤天线在28GHz的E面和H面的3-dB带宽分别达到了65°和79°；参照图7，双带毫米波滤天线在39GHz的E面和H面的3-dB带宽达到了61°和93°；并且双带毫米波滤天线的最大辐射方向基本处于天顶方向。由此可见，双带毫米波滤波天线的带宽和最大辐射方向能够满足毫米波通信要求。

本实施例中的双带毫米波滤波天线，通过在结构简单的多零点谐振器的基础上，加载第二基板、辐射贴片和短接柱等结构，从而能够以仅有两层基板的简单结构，实现具有双带和良好滤波功能的毫米波天线；由于双带毫米波滤波天线仅包含两层介质基板及其相关部件，因此具有结构简单、成本低、易加工、易维护等优点；由于具有双带功能，能同时在两个频段工作，因此有利于天线的小型化；由于使用了多零点谐振器，因此双带毫米波滤波天线具有足够的辐射零点，保证了天线的带外抑制程度和滚降；由于双带毫米波滤波天线的低频通带和高频通带两边各有一个辐射零点，保证了很高的频率选择特性，频率选择性能好。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本实施例所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实施例说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本实施例所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本实施例所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本实施例描述的过程的操作，除非本实施例另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本实施例描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文步骤的指令或程序时，本实施例的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。

计算机程序能够应用于输入数据以执行本实施例的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

以上，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。