一种基片集成波导耦合馈电的低旁瓣滤波天线阵列

1.本发明属于射频通信技术领域，涉及一种基片集成波导耦合馈电的低旁瓣滤波天线阵列。


背景技术：

2.融合设计可以有效降低整个电路或器件的损耗、体积和成本，是满足现代无线通信系统高集成度和多功能发展趋势的理想选择。因此，滤波天线，即将滤波器和天线的功能结合成一个模块的融合设计得到了广泛的研究和报道。
3.与滤波天线单元不同，滤波天线阵列需要集成功率分配器的功能，以进一步降低连接损耗和电路复杂度。滤波天线阵列的传统实现方式是源信号在到达辐射器之前需要先通过滤波器和功率分配器。这种方法的明显缺点是不可避免的插入损耗，特别是对于多个级联谐振器。为了解决这一难题，一种不添加额外滤波电路的滤波天线阵列设计方法引起了广泛关注，该方法将寄生元件引入辐射器或馈电网络以产生辐射零点。但是，该方法的滤波响应设计缺乏直观性和灵活性，在设计过程中需要耗费大量时间进行优化。而基于滤波器拟合理论，采用辐射体代替末级谐振器的融合设计方法，有详细的工作原理、参数研究和完整的设计指南。但当辐射元件数量较多时，所需要的馈电网络都是庞大而复杂的。利用高阶模腔简化滤波天线阵列馈电网络是一种实用的解决方案，已经有文献通过研究一系列利用高阶模谐振腔馈电的缝隙滤波天线阵列很好的验证了该方法的可行性。
4.旁瓣电平是滤波天线阵列的另一个重要问题。当旁瓣电平较高时，容易受到杂波和其他方向的干扰，从而降低了滤波天线阵列的辐射性能。以往许多滤波天线阵列的设计虽然显示出良好的滤波响应，但其旁瓣电平并不令人满意。产生这种现象的主要原因是它们都是由均匀功率分配的馈电网络激励的。因此，有文献中设计了具有锥形功率分布的滤波天线阵列，解决了旁瓣电平高的问题，该方法在不改变阻带滚降的情况下，可以得到一个较低的旁瓣电平。然而，一些具有不等分功率分配比的馈电网络与天线直接级联的设计不仅会带来不可避免的连接损耗，而且会使整个系统变得笨重。另外有文献中利用具有不等分功率分配比的馈电网络在e面获得了低旁瓣电平的2
×
4波导滤波天线阵列，它虽然采用了最后一级谐振器既是谐振元件又是辐射元件的融合设计方法提高效率，但其缺点是三维结构较笨重，难以与平面电路集成。综上所述，在滤波天线阵列中同时获得理想的低旁瓣电平、简单的功率分配网络和良好的带外抑制仍然是一项具有挑战性的任务。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，解决上述现有技术中的不足，提出一种基片集成波导耦合馈电的低旁瓣滤波天线阵列，根据te
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模基片集成波导腔的固有磁场分布特性，合理地在基片集成波导的上表面刻蚀耦合槽，使末级微带贴片谐振器(同时作为辐射器)实现二项功率分布(1:2:1)，以降低旁瓣电平。
6.为了实现本发明目的，本发明提供的基片集成波导耦合馈电的低旁瓣滤波天线阵
列，包括自下而上叠层设置的te
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模基片集成波导谐振腔、上层介质基板和三个tm
10
模微带贴片；所述te
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模基片集成波导滤波腔由上层金属地板、下层介质基板、下层金属地板和金属通孔构成；所述三个tm
10
模微带贴片与上层介质基板构成三个tm
10
模微带贴片谐振器；所述上层金属地板设置有沿x方向布置的三个耦合槽，所述三个耦合槽在基片集成波导滤波腔内的投影分别位于其中央和两侧，三个微带贴片一一对应地设置于三个耦合槽的正上方。
7.te
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模基片集成波导腔作为滤波功分器的第一级，同时实现滤波响应和功率划分，te
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模基片集成波导腔内沿长边方向均匀的形成四个1/4-te
401
模，使能量沿其长边方向被均匀地分成4等份。中央的耦合槽位于中部两个1/4-te
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模的交界处，两侧的耦合槽位于端部1/4-te
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模的外侧部，te
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模基片集成波导腔交界处的磁场幅度是外侧部的两倍且磁场方向一致；三个tm
10
模微带贴片谐振器是滤波功分器的第二级谐振器，同时作为滤波天线阵列的辐射器。耦合槽将te
401
模基片集成波导谐振腔内的能量耦合至对应的微带贴片天线向外辐射。
8.本发明基片集成波导耦合馈电的低旁瓣滤波天线阵列，它的馈电网络采用了高阶谐振模技术，仅用一个te
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基片集成波导谐振腔就可以同时激励3个贴片天线。同时，根据te
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模基片集成波导腔的功率分布特性，合理地在基片集成波导的上表面刻蚀耦合槽，使末级微带贴片谐振器(同时作为辐射器)实现二项功率分布(1:2:1)，以降低旁瓣电平。因此，所提出的低旁瓣滤波天线阵列结构紧凑，设计过程高效，对当前和未来的大型平面阵列具有很大的吸引力。
9.此外，本发明还提出了基片集成波导耦合馈电的低旁瓣滤波天线阵列的设计方法，其特征在于包括以下步骤：
10.步骤1、根据滤波天线单元所需的性能指标计算低通原型集总参数，并据此计算耦合系数k、输入端口外部品质因数q
es
，辐射品质因数qr；
11.步骤2、根据步骤1确定的参数建立如权利要求1所述基片集成波导耦合馈电的低旁瓣滤波天线阵列的模型，根据设置的二项分布功率分配，调节第1级te
401
模基片集成波导谐振腔与第2级tm
10
模微带贴片谐振器之间中央耦合槽的宽度w2、中央耦合槽的长度l2、两侧耦合槽的w1、两侧耦合槽的长度l1，使得第1级te
401
模基片集成波导谐振腔与第2级tm
10
模微带贴片谐振器之间耦合的满足设计要求：k1:k2:k3；
12.步骤3、调整加载于第1级te
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模基片集成波导谐振腔的输入馈线两侧拐角开槽的宽度w
g2
和长度l
g2
，使其满足步骤1中计算得到的输入端口的外部品质因数q
es
；
13.步骤4、调整微带贴片谐振器的边长lc与上层介质基板的相对介电常数，使三个微带贴片谐振器的辐射品质因数q
r1
、q
r2
和q
r3
等于输入端口的外部品质因数q
es
。
14.其中，低通原型的集总元素包括g0，g1和g2；耦合系数外部品质因数
附图说明
15.下面结合附图对本发明作进一步的说明；
16.图1是本发明基片集成波导耦合馈电的低旁瓣滤波天线阵列的立体图。
17.图2是本发明基片集成波导耦合馈电的低旁瓣滤波天线阵列的平面图。
18.图3是本发明中te
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模基片集成波导腔的磁场分布图。
19.图4是不同耦合槽尺寸下的耦合系数曲线图。
20.图5(a)是本发明低旁瓣贴片滤波天线阵列的模拟|s
11
|及实现增益曲线图。
21.图5(b)是本发明低旁瓣滤波天线阵列的效率。
22.图6是本发明低旁瓣滤波天线阵列在13.06ghz和13.32ghz时的模拟辐射方向图(e面、h面)。
具体实施方式
23.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
24.图1和图2分别展示了基片集成波导耦合馈电的低旁瓣滤波天线阵列的立体图和平面图，基片集成波导耦合馈电的低旁瓣滤波天线阵列包括：一分三的不等功分滤波功分器和作为滤波功分器第二级的三个微带贴片天线。
25.所采用的滤波天线阵列由两层相同的介质基板组成，第一级为te
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模基片集成波导(一种微波传输线形式，通常由上层金属地板2、下层金属地板4、下层介质基板3和金属通孔7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)滤波功分器，第二级由上层介质基板1和三个微带贴片5组成。上层金属地板2设置有沿x方向布置的三个耦合槽6，三个耦合槽在基片集成波导滤波腔内的投影分别位于其中央和两侧，三个微带贴片5一一对应地设置于三个耦合槽6的正上方。
26.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)和三个输出耦合槽6。te
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模基片集成波导谐振腔内沿长边方向均匀的形成四个1/4-te
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模，使能量沿其长边方向被均匀地分成4等份，te
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模基片集成波导腔交界处的磁场幅度是外侧部的两倍且磁场方向一致，te
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模基片集成波导腔中心两个1/4-te
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模交界处的磁场幅度是外侧部单个1/4-te
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模式的两倍，这使得滤波功分器能够实现二项式功率分布(1:2:1)，三个微带金属贴片作为滤波功分器的第二级设置于滤波功分器上层且由第一级te
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模基片集成波导谐振腔耦合馈电。耦合槽将te
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模基片集成波导谐振腔内的能量耦合至对应的微带贴片5向外辐射。两侧微带贴片的耦合槽长度和宽度分别为w1和l1，中间微带贴片耦合槽长度和宽度分别为w2和l2。
27.其中，低旁瓣滤波天线阵列包括一分三的不等功分馈电网络和微带贴片天线，滤波功分器的不等分信号通过三个基本相等的耦合槽为微带贴片天线耦合馈电。
28.本实施例中，输入端口s1通过50ω输入馈线激励基片集成波导谐振腔的te
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模式。所提出的滤波天线两层基板均采用rogers 5880，相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。
29.在此设计中，根据要求的中心频率，微带贴片尺寸(lc×
lc)和介质基板1的相对介电常数由经典公式可以确定。相邻天线之间的距离dn是通过平衡天线增益和旁瓣电平来确定的。在三个微带贴片天线位置固定后，te
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模基片集成波导腔的尺寸(ls×ws
)能对应地确定下来。通过如图3所示的两个1/4-te
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模的交界处和外侧部单个1/4-te
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模的之间的双倍磁场关系，可以很容易地实现二项功率分配(1:2:1)。确定微带贴片天线和基片集成波导
腔的初始尺寸后，采用传统带通滤波器的拟合方法设计滤波天线单元，并根据公式将其拓展到滤波天线阵列。接下来，提取重要参数输入外部品质因数q
es
、辐射品质因数q
ri
、耦合系数k1、k2和k3，确定所提出的滤波天线阵列中对应的关键尺寸。其中，两级谐振腔之间的耦合是通过三个耦合槽实现的，即w1，l1，w2，l2。输入外部品质因数q
es
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。te
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模基片集成波导谐振腔的输入馈线两侧拐角开槽的宽度w
g2
和长度l
g2
决定。最后，所提出滤波天线阵列的最终尺寸可以在微调后确定。
30.具体来说，本发明基片集成波导耦合馈电的低旁瓣滤波天线阵列的设计方法，其特征在于包括以下步骤：
31.步骤1、根据滤波天线单元所需的性能指标计算低通原型集总参数，低通原型的集总元素包括g0，g1和g2，并据此计算耦合系数k、输入端口外部品质因数q
es
，辐射品质因数qr。本例中，g0＝1,g1＝0.9873和g2＝0.6638，因此，重要参数耦合系数k、外部品质因数q
es
和辐射品质因数qr可由下式计算：
[0032][0033]
步骤2、根据步骤1确定的参数建立本实施例基片集成波导耦合馈电的低旁瓣滤波天线阵列的模型，根据设置的二项分布功率分配，调节第1级te
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模基片集成波导谐振腔与第2级tm
10
模微带贴片谐振器之间中央耦合槽的宽度w2、中央耦合槽的长度l2、两侧耦合槽的w1、两侧耦合槽的长度l1，使得第1级te
401
模基片集成波导谐振腔与第2级tm
10
模微带贴片谐振器之间耦合的满足设计要求：
[0034]
滤波天线阵列不仅具有滤波和辐射功能，而且在电路中集成了功率分配功能。融合设计的第二步是在滤波天线单元的基础上拟合滤波天线阵列。设置te
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模基片集成波导腔作为滤波功分器的第一级，可同时实现滤波响应和功率划分。三个tm
10
模微带贴片谐振器是滤波器的第二级谐振器，同时也是阵列的辐射器。中间的微带贴片天线和两边的两个微带贴片天线分别由基片集成波导腔的两个1/4-te
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和1/4-te
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模激励。假设基片集成波导谐振腔和微带贴片谐振腔为无损耗时，ps和p
ri
(i＝1,2或3)分别表示输入功率和输出功率。为了达到天线阵列低旁瓣电平的效果，功率分配比设为p
r1
:p
r2
:p
r3
＝α1:α2:α3＝1:2:1。耦合系数应满足公式
[0035][0036][0037]
三个微带贴片谐振腔的辐射品质因数用q
ri
(i＝1、2或3)表示，滤波天线阵列的输入外部品质因数仍然为q
es
。根据q
es
的定义，它们满足以下关系:
[0038][0039]
qr＝q
r1
＝q
r2
＝q
r3
＝29
[0040]
其中ω0为滤波天线阵列的谐振频率，w
as
和w
ri
(i＝1,2或3)分别表示基片集成波导
值(mm)0.93.81.00.92.22.26.86.0916.4-[0055]
图5(a)展示了提出的低旁瓣滤波天线阵列的模拟|s
11
|和增益。可以发现，模拟阻抗带宽约为3.4％，带内峰值增益为11.9dbi，图5(b)展示了所提出的低旁瓣滤波天线阵列的效率，模拟的峰值效率为89％。图6展示了所提出的贴片滤波天线阵列在13.06ghz和13.32ghz时的辐射方向图。可以看到e面辐射方向图在两个谐振点的旁瓣电平均小于-19.1db。此外，e面和h面的交叉极化水平都低于-20db。
[0056]
本发明低旁瓣电平的滤波贴片天线阵列由不等功分比的基片集成波导滤波功分器馈电。由于馈电网络采用了高阶谐振模技术，仅用一个基片集成波导谐振腔就可以同时激励三个贴片天线。同时，根据te
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模基片集成波导腔的磁场分布，可以很容易地得到功率分配为1:2:1的三路滤波功分器以降低旁瓣电平。最后，利用基于耦合系数和外部品质因数的滤波器拟合方法，可以很容易地得到良好的滤波响应。
[0057]
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。