一种基于波导结构的角锥喇叭滤波天线的制作方法

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于波导结构的角锥喇叭滤波天线。

背景技术：

天线和微波滤波器是现代微波中继通信、卫星通信、无线通信等系统必不可少的关键器件。天线的主要主用是发射和接收电磁信号，并且控制信号的辐射方向。微波滤波器的主要作用是过滤掉不需要的信号，即低损耗通过某一频率范围内的有用信号，而将其他频率范围的频率分量衰减到极低水平。天线和微波滤波器作为电路系统里重要的组成部分之一，其性能的优劣很大程度决定了系统的工作质量，其尺寸大小也直接影响了整个系统的尺寸大小以及便携性。

随着现代无线通信需求的高速发展，用户对高性能便携式终端设备需求越来越广泛。在以往典型的通信系统中，天线和滤波器通常是被看成两个独立的子系统来分开设计和优化的，由于器件间的相互影响和端口阻抗失配，使得级联后的天线和滤波器总体性能恶化。为了消除这种影响，二者通常需要增加一个额外的匹配电路来进行连接。这种传统的设计方法使得系统变得复杂，尺寸和损耗也会加大，已经很难满足当前无线通信系统小型化和高性能的需求。因此，将天线和滤波器进行集成，构成结构紧凑的滤波天线，当成一个整体模块来设计，不仅可以减小系统的尺寸和重量，而且在不改变辐射特性的基础上，可以降低损耗，提高增益平坦度和频率选择性，使系统的整体性能得到提高。

现有技术中，申请号为‘201310354413.5’专利申请‘高增益滤波天线’，该专利提出的一种微带滤波天线结构如图1所示，其包括谐振腔及置于谐振腔内的至少一个馈源；谐振腔具有用于固定馈源的金属反射板、竖立于反射板上的金属围框，以及用于遮盖金属围框上方且形成有供馈源信号向外辐射的通孔的金属栅。通过上述方式，该天线能够滤波与一体化集成，同时具有馈电简单、高增益等特性。

另一现有技术中，专利申请号为‘201510051241.3’，专利申请‘高带外抑制腔体滤波天线阵列’，该专利提出的一种介质基片集成波导滤波天线结构如图2所示，其介质基片上利用金属通孔围成一个第一矩形谐振腔和两个对称放置的第二矩形谐振腔。在两个第二谐振腔上方位置设置有两个用于辐射信号的辐射缝隙。该结构具有较好的带外抑制能力，但增益较低，难应用于实际系统中。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中波导喇叭天线难以同时具备滤波特性和低副瓣电平的缺陷，提供一种基于波导结构的角锥喇叭滤波天线，使其具有结构简单、易于调谐、频率选择性高、副瓣电平小和增益平坦等优点。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于波导结构的角锥喇叭滤波天线，所述滤波天线包括：金属波导腔1和角锥喇叭12；

其中，所述金属波导腔1的一端作为信号输入端口13，另一端作为辐射端口与所述角锥喇叭12连接；

所述金属波导腔1依次由第一电感膜片2以及第二电感膜片3、第三电感膜片4以及第四电感膜片5、第五电感膜片6以及第六电感膜片7、第七电感膜片8以及第八电感膜片9、第九电感膜片10以及第十电感膜片11分隔为第一谐振腔14、第二谐振腔15、第三谐振腔16和第四谐振腔17。

进一步地，所述金属波导腔1为矩形。

进一步地，所述角锥喇叭12同时沿E面和H面张开，用于提高滤波天线的辐射增益和定向性，降低副瓣电平。

进一步地，所述第一谐振腔14、所述第二谐振腔15、所述第三谐振腔16和所第四谐振腔17均为半波长的谐振腔单元，工作主模均为TE101模。

进一步地，所述第一电感膜片2以及所述第二电感膜片3构成窗型开口结构，用于控制所述滤波天线信号输入端口的外部品质因数。

进一步地，所述第三电感膜片4以及所述第四电感膜片5构成窗型开口结构，用于控制所述第一谐振腔14和所述第二谐振腔15之间的耦合强度。

进一步地，所述第五电感膜片6以及所述第六电感膜片7构成窗型开口结构，用于控制所述第二谐振腔15和所述第三谐振腔16之间的耦合强度。

进一步地，所述第七电感膜片8以及所述第八电感膜片9构成窗型开口结构，用于控制所述第三谐振腔16和所述第四谐振腔17之间的耦合强度。

进一步地，所述第九电感膜片10以及所述第十电感膜片11构成窗型开口结构，用于控制所述滤波天线辐射端口的辐射品质因数。

进一步地，所述第四谐振腔17同时充当辐射器的作用。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

本发明提出的一种基于波导结构的角锥喇叭滤波天线，它同时具有滤波特性和辐射特性，其中滤波特性由四个矩形谐振腔产生，辐射特性由最后一级谐振腔和角锥喇叭共同产生。通过调整电感膜片窗的宽度，可以控制相邻谐振腔之间的耦合强度、滤波器的外部品质因数和天线的辐射品质因数。当滤波器的外部品质因数与天线辐射品质因数相等时，可以避免滤波单元和辐射单元的相互影响。通过引入角锥喇叭，可以提高天线的辐射增益和定向性，降低副瓣。本发明提出的滤波天线具有以下优点：增益平坦；高选择性；低副瓣；低交叉极化；结构简单可靠；易于集成；适用于多种通信系统。

附图说明

图1是现有技术一中提出的一种微带滤波天线的结构图；

图2是现有技术二中提出的高带外抑制腔体滤波天线阵列的结构图；

图3是本发明提出的基于波导结构的角锥喇叭滤波天线的剖视图；

图4是本发明提出的基于波导结构的角锥喇叭滤波天线的立体结构示意图；

图5是本发明提出的滤波天线的|S11|和增益仿真结果；

图6是本发明提出的滤波天线中心频率10GHz处的H面方向图仿真结果；

图7是本发明提出的滤波天线中心频率10GHz处的E面方向图仿真结果。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本发明的波导滤波天线结构的剖视图如图3所示，该结构是对称的。该基于波导结构的角锥喇叭滤波天线包括：金属波导腔1和角锥喇叭12。

所述角锥喇叭12同时沿E面和H面张开，主要用于提高天线的辐射增益和定向性，降低副瓣电平。

所述金属波导腔1为矩形。

所述金属波导腔1的一端作为信号输入端口13，另一端作为辐射端口与所述角锥喇叭12连接。

所述金属波导腔1依次由第一电感膜片2以及第二电感膜片3、第三电感膜片4以及第五电感膜片5、第五电感膜片6以及第六电感膜片7、第七电感膜片8以及第八电感膜片9、第九电感膜片10以及第十电感膜片11分隔为第一谐振腔14、第二谐振腔15、第三谐振腔16和第四谐振腔17。

所述第一谐振腔14、所述第二谐振腔15、所述第三谐振腔16和所第四谐振腔17均为半波长的谐振腔单元，其工作主模均为TE101模。

其中，所述第四谐振腔17同时充当辐射器的作用。

其中，所述第一电感膜片2以及所述第二电感膜片3构成窗型开口结构，用于控制所述滤波天线信号输入端口的外部品质因数；

所述第三电感膜片4以及所述第四电感膜片5构成窗型开口结构，用于控制所述第一谐振腔14和所述第二谐振腔15之间的耦合强度；

所述第五电感膜片6以及所述第六电感膜片7构成窗型开口结构，用于控制所述第二谐振腔15和所述第三谐振腔16之间的耦合强度；

所述第七电感膜片8以及所述第八电感膜片9构成窗型开口结构，用于控制所述第三谐振腔16和所述第四谐振腔17之间的耦合强度；

所述第九电感膜片10以及所述第十电感膜片11构成窗型开口结构，用于控制所述滤波天线辐射端口的辐射品质因数。

图4是本发明提出的波导角锥喇叭滤波天线的立体结构示意图，该结构图是对称的。

本发明具体实施例使用的矩形波导型号为WR90，设计的滤波天线中心频率为10GHz。使用三维仿真软件CST对滤波天线进行仿真与优化，优化后的主要结构参数为：a＝22.86mm，b＝10.16mm,l₀＝15mm，l₁＝16.74mm，l₂＝18.48mm，l₃＝18.46mm，l₄＝16.71mm，w₀＝10.83mm，w₁＝6.78mm，w₂＝6.29mm，w₃＝6.81mm，w₄＝10.85mm，t＝2mm，l_a＝78.81mm，l_b＝38mm，h＝37.47mm。

图5显示了实施例滤波天线的|S11|和增益仿真结果。横轴表示输入信号频率，范围从9GHz到11GHz，左纵轴表示S11对数幅度(dB)，右纵轴表示增益大小(dB)。该天线17.5dB反射损耗范围为9.88GHz到10.12GHz，相对带宽约为2.4％。天线工作频率范围内增益为14.5dB左右。由图可见，天线具有增益平坦、高选择性、高带外抑制性等优点。

图6和图7分别是实施例滤波天线中心频率10GHz处的H面和E面方向图仿真结果，由图可见H面和E面交叉极化均小于-50dB，E面主极化副瓣电平大于16dB，天线具有低副瓣、低交叉极化的辐射特性。

综上所述，本发明提出了一种基于波导结构的角锥喇叭滤波天线，其中滤波器通过矩形波导腔体谐振器来实现，各级谐振器间通过电感膜片进行耦合，最后一级谐振器同时充当天线辐射器的功能。为了进一步提高天线辐射方向性，在最后一级谐振器的尾部级联了角锥喇叭。本发明提出的滤波天线具有副瓣电平小，交叉极化低，增益平坦和频率选择性高的特点。

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。