CN110265778B - 一种基于siw谐振腔的双频滤波天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于SIW谐振腔的双频滤波天线，包括上层介质基板、下层介质基板、T型耦合探针、SMA馈电接头、金属贴片、金属地板、金属短路柱和刻有U型槽的方形辐射贴片；上层介质基板和下层介质基板贴合，刻有U型槽的方形辐射贴片印刷在上层介质基板的上表面，金属贴片和金属地板分别覆盖下层介质基板的上表面和下表面，SMA馈电接头设置在下层介质基板上，SMA馈电接头与下层介质基板的上表面金属贴片连接，金属短路柱嵌在下层介质基板围成长方形；嵌在下层介质基板的金属短路柱与位于下层介质基板下表面的金属地板和位于下层介质基板上表面的金属贴片相连接构成谐振腔。本发明结构紧凑，具有比较好的选择性，加工成本低，且具有良好的辐射特性。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信天线领域，尤其涉及一种基于SIW谐振腔的双频滤波天线。
背景技术
基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide，SIW)是一种新型的传输线结构，由于其品质因数高(高Q)和损耗小的特性使得SIW广泛应用于滤波器领域。相对于传统的微带滤波器，SIW谐振腔的选择性更高和插入损耗更小。而且由于其体积小、重量轻和容易集成的特点，SIW被应用与天线、合路器和功分器等。
天馈系统是射频前端最重要的部分，一般要求具有多频带、高选择性、高增益和小尺寸等特性，而传统的设计将天馈系统的三个组成部分，天线、滤波器和双工器，分别进行单独设计，然后采用50Ω的馈电线进行连接，这导致天馈系统出现尺寸大，损耗高，重量大等缺点。
滤波天线是近几年提出的新技术，其核心思想是将滤波器和天线合起来一起进行设计，并且将天线当作滤波器的最后一阶，使得天线与滤波器之间不再需要50Ω的连接线。而当天线本身为窄带时，采用滤波天线这样的设计，天线的带宽也得到了进一步的提升。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于SIW谐振腔的双频滤波天线。本发明具有结构简单、损耗小、重量轻以及易于加工等优点，并且具备能够组成大型阵列的特性。
本发明的目的能够通过以下技术方案实现：
一种基于SIW谐振腔的双频滤波天线，包括上层介质基板、下层介质基板、T型耦合探针、SMA馈电接头、金属贴片、金属地板、金属短路柱以及刻有U型槽的方形辐射贴片；
所述上层介质基板和下层介质基板贴合，刻有U型槽的方形辐射贴片印刷在上层介质基板的上表面，金属贴片和金属地板分别覆盖下层介质基板的上表面和下表面，SMA馈电接头设置在下层介质基板上，SMA馈电接头与下层介质基板的上表面金属贴片连接，金属短路柱嵌在下层介质基板围成长方形；嵌在下层介质基板的金属短路柱分别与位于下层介质基板下表面的金属地板和位于下层介质基板上表面的金属贴片相连接构成谐振腔；T型馈电探针是由水平的微带线和垂直馈电探针组成，水平微带线印刷在上层介质基板的上表面，垂直馈电探针嵌在两层介质板中，垂直馈电探针一端与水平微带线中心连接，另一端与下层的金属地板连接。
进一步地，所述具有U型槽的方形辐射贴片的U型槽刻在辐射贴片的边缘，以便双频滤波天线的两个频率尽可能地靠近。
进一步地，所述上层介质基板的尺寸小于下层介质基板金属短路柱包围的尺寸。
进一步地，为了防止金属地板与SMA馈电接头内芯接触，在金属地板处刻有圆形槽。
进一步地，嵌在下层介质基板的金属短路柱相距一定的距离，该距离由公式d2/d3≤2和d3/λ0≤0.1决定，防止电磁波泄漏；其中，d2表示金属短路柱的直径，d3表示相邻金属短路柱的圆心距离，λ0表示自由空间的波长。
进一步地，所述T型耦合探针和SMA馈电接头尽可能地往SIW谐振腔两边错开，避免SMA馈电接头与上层介质基板重叠，减少工作难度。
进一步地，位于下层介质基板谐振腔的金属短路柱对称分布在下层介质基板的中间位置。金属短路柱围成长方形的长和宽决定了谐振腔的两个谐振频率，所以距离中心距离的大小是由工作频率进行决定。
进一步地，所述T型馈电探针的水平微带线长度与方形辐射贴片的边长相等。
本发明相较于现有技术，具有以下的有益效果：
1、本发明提供的双频滤波天线不需要多余的馈电网络或匹配电路，具有结构简单、尺寸小和剖面低的优点；并且在增益随频率变化曲线上有两个辐射零点，具有良好的选择性。
2、本发明能够为了拓宽带宽而在下层介质基板再叠加谐振腔构成一个三阶或更高阶的双频滤波天线，并且能够将此天线作为天线的基本单元进行组阵，具有很大的研究空间。
3、本发明采用SIW双频谐振腔和双频天线一起进行设计，能够提高天线系统的选择性，且由于SIW的集成性很好，使得滤波天线具有尺寸小、重量轻的优点。
附图说明
图1是一种基于SIW谐振腔的双频滤波天线的俯视图和侧视图。
图2是本实施例中一种基于SIW谐振腔的双频滤波天线的具体尺寸示意图。
图3是SIW谐振腔中下层介质基板的俯视图。
图4是上层介质基板的俯视图。
图5是本实施例中一种基于SIW谐振腔的双频滤波天线的S参数仿真结果曲线图。
图6是本实施例中一种基于SIW谐振腔的双频滤波天线随频率变化的垂直天线中心的远场增益曲线图。
图7是本实施例中一种基于SIW谐振腔的双频滤波天线在f＝3.2GHz时的远场方向图。
图8是本实施例中一种基于SIW谐振腔的双频滤波天线在f＝3.68GHz时的远场方向图。
图中，1—上层介质基板、2—下层介质基板、3—SIW谐振腔的金属地板、4—SIW谐振腔的金属贴片、5—SMA馈电接头、6—T型耦合探针的垂直部分、7—T型耦合探针的水平微带部分、8—刻有U型槽的方形辐射贴片、9—SIW谐振腔的短路金属柱。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示为一种基于SIW谐振腔的双频滤波天线的结构示意图，所述天线包括上层介质基板1、下层介质基板2、T型耦合探针、SMA馈电接头5、金属贴片4、金属地板3、金属短路柱9以及刻有U型槽的方形辐射贴片8；
所述上层介质基板和下层介质基板贴合，刻有U型槽的方形辐射贴片印刷在上层介质基板的上表面，金属贴片和金属地板分别覆盖下层介质基板的上表面和下表面，SMA馈电接头设置在下层介质基板上，SMA馈电接头与下层介质基板的上表面金属贴片连接，金属短路柱嵌在下层介质基板围成长方形；嵌在下层介质基板的金属短路柱分别与位于下层介质基板下表面的金属地板和位于下层介质基板上表面的金属贴片相连接构成谐振腔；T型馈电探针是由水平的微带线和垂直馈电探针组成，水平微带线印刷在上层介质基板的上表面，垂直馈电探针嵌在两层介质板中，垂直馈电探针一端与水平微带线中心连接，另一端与下层的金属地板连接。
如图2所示为本实施例中基于SIW谐振腔的双频滤波天线部分尺寸示意图。上下两个介质基板都是Rogers4003c，相对介电常数为3.55，两板的厚度h1和h2分别为0.813mm,1.524mm，其余的参数l1,l2,l3,l4,l5,l6,w1,w2,w3,,d1,d2,d3,s1分别为80mm,60.5mm,35mm,23mm,10mm,9mm,49.8mm,1mm,1.5mm,0.6mm,2mm,2mm,0.8mm，整个天线的尺寸为80X80X2.34mm3。
图3和图4分别为下层介质基板的上表面和上层介质的上表面的电气结构图。下层介质基板的上表面的金属贴片4在T型馈电探针的垂直部分6的周围刻有一圆形槽，以防止垂直探针6与金属贴片4短路。T型耦合探针的水平微带线7与刻有U型槽的边长平齐，以有效地将能量馈送到天线中。
此外，天线的工作中心频率分别为3.2GHz和3.68GHz，带宽分别为83MHz和56MHz，天线的S参数如图5所示。在两个工作频带，天线最大增益在垂直天线中心为5.8dBi和4.44dBi，垂直于天线中心随频率变化的增益曲线如图6所示。交叉极化比分别为40dBi和23dBi，天线在3.2GHz和3.68GH时phi＝0°和phi＝90°的方向图如图7和8所示。
由上述说明可以看出，本发明基于SIW谐振腔的紧凑双频滤波天线结构简单，无需额外的馈电匹配网络或者50Ω的馈电连接线且SIW谐振的品质因数比较高，因此天线的整体损耗降低。由于在天线增益随频率变化曲线上有两个辐射零点，天线的选择性得以提升。此外该天线单元结构和馈电非常简单，可将其作为大型阵列的单元。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于SIW谐振腔的双频滤波天线，其特征在于，包括上层介质基板、下层介质基板、T型耦合探针、SMA馈电接头、金属贴片、金属地板、金属短路柱以及刻有U型槽的方形辐射贴片；
所述上层介质基板和下层介质基板贴合，所述方形辐射贴片印刷在上层介质基板的上表面，方形辐射贴片的U型槽刻在方形辐射贴片的边缘，金属贴片和金属地板分别覆盖下层介质基板的上表面和下表面，SMA馈电接头设置在下层介质基板上，SMA馈电接头与下层介质基板的上表面金属贴片连接，金属短路柱嵌在下层介质基板围成长方形；嵌在下层介质基板的金属短路柱分别与位于下层介质基板下表面的金属地板和位于下层介质基板上表面的金属贴片相连接构成谐振腔；T型馈电探针是由水平的微带线和垂直馈电探针组成，水平微带线印刷在上层介质基板的上表面，垂直馈电探针嵌在两层介质板中，垂直馈电探针一端与水平微带线中心连接，另一端与下层的金属地板连接；
所述上层介质基板的尺寸小于下层介质基板金属短路柱包围的尺寸；所述T型馈电探针的水平微带线长度与方形辐射贴片的边长相等。
2.根据权利要求1所述的一种基于SIW谐振腔的双频滤波天线，其特征在于，所述T型耦合探针和SMA馈电接头尽可能地往SIW谐振腔两边错开。
3.根据权利要求1所述的一种基于SIW谐振腔的双频滤波天线，其特征在于，嵌在下层介质基板的金属短路柱相距一定的距离，该距离由公式d 2/d 3 ≤ 2和d 3 /λ 0 ≤ 0.1决定；其中，d 2表示金属短路柱的直径，d 3表示相邻金属短路柱的圆心距离，λ 0表示自由空间的波长。
4.根据权利要求1所述的一种基于SIW谐振腔的双频滤波天线，其特征在于，位于下层介质基板谐振腔的金属短路柱对称分布在下层介质基板的中间位置；金属短路柱围成长方形的长和宽决定了谐振腔的两个谐振频率，所以距离中心距离的大小是由工作频率进行决定。
5.根据权利要求1所述的一种基于SIW谐振腔的双频滤波天线，其特征在于，所述金属地板上刻有圆形槽。
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