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CN114759353B - 一种集成式毫米波双向端射天线阵列 - Google Patents

一种集成式毫米波双向端射天线阵列 Download PDF

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CN114759353B CN202210456585.2A CN202210456585A CN114759353B CN 114759353 B CN114759353 B CN 114759353B CN 202210456585 A CN202210456585 A CN 202210456585A CN 114759353 B CN114759353 B CN 114759353B
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Abstract

本发明涉及集成式毫米波双向端射天线阵列，包括一分二的等功分滤波功分器和分设于滤波功分器两对差分信号输出端口的两个共面准八木天线，滤波功分器为基片集成波导滤波功分器，由两个TE101模和两个TE201模谐振腔构成，TE201模式的谐振腔具有固有的反相场分布，用于产生差分输出。本发明将两个TE101模式和两个TE201模式的基片集成波导腔合理耦合，以产生窄带三阶带通响应。在这种拓扑结构中，所提出的滤波功分器对负载阻抗不敏感，因此共面准八木天线很容易与滤波功分器集成以构建双向端射滤波天线阵列。

Description

一种集成式毫米波双向端射天线阵列
技术领域
本发明属于射频通信技术领域，涉及一种集成式毫米波双向端射天线阵列。
背景技术
毫米波通信比以往任何时候都受到广泛关注，并且已经成为即将到来的第五代(5G)通信及5G以后通信的必然发展趋势。在毫米波前端，降低损耗是确保毫米波技术走向实用的必要条件。因此，将两种或多种功能集成到一个电路中的融合器件已经成为一种流行的设计方法，这可以使多个器件之间避免像传统级联设计那样使用标准50Ω连接线，因此能减小电路总体尺寸。同时，基片集成波导作为一种高品质因数的传输线，在过去十年中被广泛应用于毫米波电路和天线的设计中。因此在毫米波频段，基于基片集成波导集成设计的多功能器件在降低损耗和小型化系统体积方面具有的良好前景。
滤波器作为频率选择元件，广泛用于毫米波前端，用于抑制谐波或镜频干扰。因此，最近对滤波器与其他器件融合的集成设计进行了广泛的研究。其中，滤波天线是一个典型的例子，其滤波响应通常通过以下两种方法设计，一种是在馈电网络中插入滤波电路，另一种是在辐射器上引入寄生元件以产生辐射零点。虽然产生辐射零点的方法对于天线增益和输入回波损耗来讲能容易地形成类似滤波器的响应，但是对于一些严格的设计指标有时很难满足，例如用于窄带镜频抑制、阻带滚降和抑制水平(滤波器的典型设计指标)。此外，该方法的有效性尚未在毫米波天线阵列中得到很好的验证。相反，馈电网络的滤波响应可以通过经典的滤波器的设计方法进行拟合，阵列增益的滤波特性与滤波功分器的滤波响应几乎相同。
端射天线由于能够在小空间内实现阵列排布，同时可以直接板级集成，在毫米波频段(如室内基站等领域)得到了广泛的应用。为提高集成度，近年来开发了各种端射滤波天线。另一方面，在各种复杂的无线通信场景中(如地铁、隧道和铁路)，都需要双向端射天线阵列。在过去的几年里，使用背靠背定向天线在微波低频段设计了许多双向端射天线阵列，这些天线阵列也可应用于毫米波频段。有研究报道了一种具有双向辐射的人工表面等离子体激元双向端射天线阵列。但它并不能提供滤波响应。据发明人所知，目前还没有双向端射滤波天线阵列的报道。
发明内容
本发明的目的在于，解决上述现有技术中的不足，提出一种集成式毫米波双向端射天线阵列。
为了实现本发明目的，本发明提供的一种集成式毫米波双向端射天线阵列，包括一分二的等功分滤波功分器和分设于滤波功分器两对差分信号输出端口的两个共面准八木天线，其特征在于：滤波功分器为基片集成波导滤波功分器，包含一个输入端口和两对差分信号输出端口、两个级联的TE101模基片集成波导谐振腔和两个TE201模基片集成波导谐振腔，所述TE201模基片集成波导谐振腔具有两个幅度相同且相位相反的电场，所述输入端口设置于第1级TE101模基片集成波导谐振腔的信号输入侧，两个TE201模基片集成波导谐振腔对称地设置于第2级TE101模基片集成波导谐振腔的两侧且与第2级TE101模基片集成波导谐振腔耦合，两对差分信号输出端口一一对应地设置于两个TE201模基片集成波导谐振腔的输出侧，且每对差分信号输出端口的两个输出分别位于TE201模基片集成波导谐振腔的两个电场内；所述共面准八木天线包括差分馈电网络、印刷偶极子和引向器，所述滤波功分器的差分信号输出端口通过差分馈电网络连接印刷偶极子，引向器设置于印刷偶极子的辐射方向。
本发明首次提出了双向端射滤波天线阵列，它由具有差分输出的基片集成波导滤波功分器馈电。基于构建滤波器的两个关键因素，即耦合系数和外部品质因数，将两个TE101模式和两个TE201模式的基片集成波导腔合理耦合，以产生窄带三阶带通响应。滤波功分器的最后一级是两个背靠背放置的TE201模式的谐振腔，它们具有固有的反相场分布，用于产生差分输出。在这种拓扑结构中，所提出的滤波功分器对负载阻抗不敏感，因此共面准八木天线很容易与滤波功分器集成以构建双向端射滤波天线阵列。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明；
图1是本发明集成式毫米波双向端射天线阵列的平面图。
图2是本发明集成式毫米波双向端射天线阵列的立体图。
图3是本发明实施例集成式毫米波双向端射天线阵列的模拟|S11|和增益结果。
图4是本发明实施例集成式毫米波双向端射天线阵列在中心频率为27.5GHz时的模拟辐射方向图(E面、H面)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
图1和图2分别展示了集成式毫米波双向端射天线阵列的平面图和立体图，集成式毫米波双向端射天线阵列包括：一分二的等功分滤波功分器和分设于滤波功分器两对差分信号输出端口的两个共面准八木天线。
所采用的滤波功分器为基片集成波导滤波功分器(一种微波传输线形式，通常由上层金属1、下层金属4、介质基板3和金属通孔2构成，其利用金属通孔在介质基板上实现波导的场传播模式)由两个级联TE101模基片集成波导谐振腔和两个TE201模基片集成波导谐振腔组成。具体来说，如图1所示，基片集成波导滤波功分器包含一个输入端口S1和一对差分信号输出端口，两个级联的TE101模基片集成波导谐振腔(第1级TE101模基片集成波导谐振腔R1、第2级TE101模基片集成波导谐振腔R2)和第一TE201模基片集成波导谐振腔R31、第二TE201模基片集成波导谐振腔R32，两个TE201模基片集成波导谐振腔R31、R32分别设置于第2级TE101模基片集成波导谐振腔R2的两侧且与第2级TE101模基片集成波导谐振腔R2耦合，差分信号输出端口设置于TE201模基片集成波导谐振腔R31、R32的输出侧，且差分信号输出端口的两个输出分别位于TE201模基片集成波导谐振腔的两个电场内。第1级TE101模基片集成波导谐振腔R1和第2级TE101模基片集成波导谐振腔R2之间的耦合窗口宽度为l1，第2级TE101模基片集成波导谐振腔R2与两个TE201模基片集成波导谐振腔之间的耦合窗口宽度均为l2。
其中，共面准八木天线包括差分馈电网络、印刷偶极子和引向器，滤波功分器的差分信号输出端口通过差分馈电网络连接印刷偶极子，引向器设置于印刷偶极子的辐射方向。如图1所示，差分馈电网络为一对从差分微带线过渡到共面带线的馈电微带线。印刷偶极子包括两个对称的偶极子臂。
基片集成波导谐振腔的长度和宽度可以通过经典公式容易地确定。通过耦合混合TE101/TE201模式基片集成波导谐振腔，可以同时实现功率分配和滤波响应。与此同时，TE201模式拥有两个幅度相同、相位相反的电场分布，可用于两个TE201模基片集成波导谐振腔R31、R32实现差分输出，然后将平衡不平衡转换器功能集成到滤波功分器中。
本实施例中，输入端口S1通过50Ω接地共面波导与第一级TE101模基片集成波导谐振腔R1连接，激发第1级TE101模基片集成波导谐振腔R1的TE101模式。所提出的滤波功分器采用的基板是Taconic TLY，相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为10mil。
在此设计中，输入和输出的外部品质因数和耦合系数可以由切比雪夫低通原型的集总参数(g0、g1、g2和g3)确定。两个相邻腔之间的耦合是通过基片集成波导耦合窗实现，即l1、l2，输入/输出的外部品质因数Qe主要由馈线的馈入长度和馈线与腔之间的狭缝决定，加载于第1级TE101模基片集成波导谐振腔R1的输入馈线两侧开槽的宽度t1和深度q1、TE201模基片集成波导谐振腔R31、R32的输出馈线两侧开槽的宽度t2和深度q2，所提出的滤波器的最终尺寸可以在微调后确定。
馈电网络中两条馈电微带线的长度为l3，宽度为W2，间隔为t3；印刷偶极子的长度为l4，宽度为W3；引向器的长度为l5，宽度为W4；印刷偶极子与引向器的中心距离为d1。另外，输入馈线的宽度为W0，输出馈线的宽度为W1，金属化通孔2的直径外d，间距为p。上述参数可通过仿真优化确定。
众所周知，准八木天线需要差分输入。为了便于滤波功分器与端射天线的集成容易地构建出双向端射滤波天线迫切希望滤波功分器对负载阻抗ZL不敏感。而实验表明所提出的滤波功分器在一定范围内对输出负载阻抗不敏感。在本设计中，准八木天线的输入阻抗Zin等效于所提出滤波功分器的负载阻抗ZL。因此，准八木天线的Zin在小范围内的变化不会对所提出的滤波功分器的滤波性能产生太大影响。滤波功分器与准八木天线无缝集成很方便。同时，滤波功分器的底部金属地作为两个背靠背准八木天线的反射器。
为了演示，设计了一个如图1所示毫米波端射天线阵列。具体尺寸如下：
参数 W0 g1 g2 g3 l1 l2 l3 l4 l5
值(mm) 0.72 0.2 0.2 0.2 1.99 2.38 1.7 5.8 3.5
参数 l6 S1 S2 a1 a2 a3 b1 b2 b3
值(mm) 3.1 0.96 2.0 4.8 4.8 4.8 5.8 5.58 11.6
参数 W1 W2 W3 W4 p d d1 d2 -
值(mm) 0.9 0.8 0.5 0.5 0.5 0.3 2.6 2.6 -
图3展示了提出的双向端射滤波天线阵列模拟|S11|和增益。可以发现，模拟阻抗带宽(|S11|<-10dB)约为3.4％，带内峰值增益为5.4dBi，通带增益平坦。同时，滤波性能与所提出的滤波功分器的结果几乎相似，特别是对于增益阻带的急剧滚降。图4展示了提出的双向端射滤波天线阵列在中心频率为27.5GHz时的模拟辐射方向图，E面和H面的交叉极化均低于-20dB。
在此之前，没有文献报道过双向端射滤波天线阵列，已经报道的定向端射滤波天线通带的相对带宽均较大(大于15％)，而本文提出的双向端射滤波天线阵列通带的相对带宽为3.4％，这通常是毫米波射频前端进行镜频抑制所需要的。正如预期的那样，由于提出了基于滤波器拟合的馈电网络，阻带的增益滚降值最大值达到25dB/GHz。通过馈电网络和准八木天线的合理集成和基片集成波导耦合腔的合理布置，提出的滤波天线阵列的电尺寸仅为2.95λ0×1.93λ0(λ0表示f0处的自由空间波长)，远小于已有研究中毫米波双向端射阵列的电尺寸。与毫米波定向端射滤波器相比，占据面积也更小。
本发明毫米波双向端射滤波天线阵列由负载不敏感的差分输出基片集成波导滤波功分器馈电。利用基于耦合系数和外部品质因数的滤波器拟合方法，对TE101/TE201模基片集成波导谐振腔进行合理耦合，产生窄带三阶带通响应。同时，利用TE201模谐振腔产生差分输出，然后用于准八木天线的馈电。在此基础上，设计并实现了高性能、小型化的双向端射滤波天线阵列。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种集成式毫米波双向端射天线阵列，包括一分二的等功分滤波功分器和分设于滤波功分器两对差分信号输出端口的两个共面准八木天线，其特征在于：滤波功分器为基片集成波导滤波功分器，包含一个输入端口（S 1）和两对差分信号输出端口、两个级联的TE101模基片集成波导谐振腔（R 1、R 2）和两个TE201模基片集成波导谐振腔（R 31、R 32），所述TE201模基片集成波导谐振腔（R 31、R 32）具有两个幅度相同且相位相反的电场，所述输入端口（S 1）设置于第1级TE101模基片集成波导谐振腔（R 1）的信号输入侧，两个TE201模基片集成波导谐振腔（R 31、R 32）对称地设置于第2级TE101模基片集成波导谐振腔（R 2）的两侧且与第2级TE101模基片集成波导谐振腔（R 2）耦合，两对差分信号输出端口一一对应地设置于两个TE201模基片集成波导谐振腔（R 31、R 32）的输出侧，且每对差分信号输出端口的两个输出分别位于TE201模基片集成波导谐振腔（R 31、R 32）的两个电场内；所述共面准八木天线包括差分馈电网络、印刷偶极子和引向器，所述滤波功分器的差分信号输出端口通过差分馈电网络连接印刷偶极子，引向器设置于印刷偶极子的辐射方向。
2.根据权利要求1所述的集成式毫米波双向端射天线阵列，其特征在于：差分馈电网络为一对从差分微带线过渡到共面带线的馈电微带线。
3.根据权利要求1所述的集成式毫米波双向端射天线阵列，其特征在于：所述印刷偶极子包括两个对称的偶极子臂。
4.根据权利要求1所述的集成式毫米波双向端射天线阵列，其特征在于：所述第1级TE101模基片集成波导谐振腔（R 1）和第2级TE101模基片集成波导谐振腔（R 2）之间的耦合窗口宽度为l 1，第2级TE101模基片集成波导谐振腔（R 2）与TE201模基片集成波导谐振腔（R 31、R 32）之间的耦合窗口宽度为l 2。
5.根据权利要求1所述的集成式毫米波双向端射天线阵列，其特征在于：所述输入端口（S 1）通过50Ω接地共面波导与第一级TE101模基片集成波导谐振腔（R 1）连接，激发第1级TE101模基片集成波导谐振腔（R 1）的TE101模式。
6.根据权利要求1所述的集成式毫米波双向端射天线阵列，其特征在于：差分信号输出端口的两个输出对称地设置于TE201模基片集成波导谐振腔（R 31、R 32）内。
7.根据权利要求1所述的集成式毫米波双向端射天线阵列，其特征在于：基片集成波导滤波功分器由上层金属（1）、下层金属（4）、介质基板（3）和金属通孔（2）构成。
8.根据权利要求1所述的集成式毫米波双向端射天线阵列，其特征在于：所述滤波功分器为对称结构，两个共面准八木天线相互对称。
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