基于FSS的平面集成毫米波滤波喇叭天线

基于fss的平面集成毫米波滤波喇叭天线
技术领域
1.本发明涉及一种天线结构，尤其涉及一种基于fss的平面集成毫米波滤波喇叭天线结构。


背景技术：

2.5g通信作为如今通信领域的一个研究热点，已经引起了国内外研究学者的广泛关注。毫米波技术可以通过提升频谱带宽实现超高速无线数据传输，从而成为5g通信的关键技术之一。在毫米波频段，低功耗、高集成度、多功能一体化设计成为无线传输系统的一种发展趋势。作为射频前端的两个重要组成部分，滤波器和天线通常是独立设计，然后通过额外的传输线级联来实现的，这不仅增加了系统的体积，还可能由于引入互连造成失配和额外的插入损耗，从而降低带内性能。滤波天线是将天线和滤波器有效地集成到一个模块中的器件，它能同时实现滤波和辐射功能，多功能一体化的设计可实现小型化和低损耗性能。
3.随着移动通信技术的发展，无线通信系统面临越来越复杂的电磁干扰问题。频率选择表面(fss)作为一种空间滤波器，通常可作为天线罩应用于天线设计中，提高天线的抗干扰能力，并对天线进行物理保护。但目前fss作为天线罩的设计，往往与天线设计独立开展，这就增加了设计的难度和复杂度，也不利于射频前端的集成化设计。
4.本发明基于fss的滤波特性，将其与平面集成喇叭天线一体化设计，实现了具有滤波特性的毫米波喇叭天线。在此基础上，结合缺陷地结构，优化该滤波喇叭天线的滤波特性，最终实现了结构简单、滤波及辐射性能优异的集fss、滤波、天线于一体的可应用于5g毫米波通信的射频前端平面集成模块。


技术实现要素：

5.针对现在很少有关于天线和fss集成设计的论文以及毫米波技术应用的热点，本发明提出了一种工作在24.25ghz～26.7ghz频段的基于fss的平面集成毫米波滤波喇叭天线。在实现滤波功能以及辐射功能之外，还运用了基片集成波导技术让天线小型化，集成化。该结构在通带内具有平坦的增益曲线，边缘选择性好。
6.实现本发明目的的技术解决方案为：
7.基于fss的平面集成毫米波滤波喇叭天线包括频率选择表面f、阶梯波导喇叭w、基片集成波导背腔贴片r。
8.频率选择表面由4*5周期性阵列分布的单元构成，每个单元从上至下依次包括金属贴片p1、介质板s1、金属网栅g1、介质板s2、金属贴片p2。
9.作为优选，频率选择表面的单元形状不局限于正六边形，可以是方形、圆形等，其形状与尺寸影响滤波性能以及阻抗匹配。
10.作为优选，金属贴片p1、金属贴片p2尺寸相同，介质板s1、s2材质和尺寸相同。
11.阶梯波导喇叭w为在铝块内挖出的喇叭状通孔；该喇叭状通孔的截面为阶梯状；阶梯波导喇叭w的较大开口置于频率选择表面金属贴片p2的下方；阶梯波导喇叭w的较大开口
口径大小与频率选择表面一致。
12.作为优选，阶梯波导喇叭的阶梯层数为两层或两层以上，其层数以及每层的高度影响天线的阻抗匹配以及辐射增益。
13.作为优选，介质板s3的上表面开挖有方形槽v1，下表面刻有一组缺陷地结构；方形槽v1与缺陷地结构错开设置；
14.方形槽v1内铺设孔径耦合贴片p3，孔径耦合贴片p3与方形槽v1的四壁留有一定距离；
15.所述的缺陷地结构由两列尺寸不同的互补开口谐振环阵列构成。两列互补开口谐振环阵列上的互补开口谐振环一一对应。
16.较大尺寸的互补开口谐振环阵列由三个尺寸不同的互补开口谐振环构成，且三个互补开口谐振环长度满足中间值与最大值和最小值的差值均为0.002λ
g
‑
0.1λ
g
；其中λ
g
为中心频率在介质基板中的工作波长。
17.较小尺寸的互补开口谐振环阵列由三个尺寸相同的互补开口谐振环构成；
18.作为优选，两列互补开口谐振环阵列上互补开口谐振环d1与d2的尺寸影响增益零点产生的频率以及天线的工作带宽。
19.方形槽v1除靠近缺陷地结构侧外其余外周设有周期性分布、贯穿介质板s3的金属柱m3；
20.方形槽v1与缺陷地结构间设有两个贯穿介质板s3的金属柱m2，用于调节阻抗匹配；
21.缺陷地结构两侧设有周期性分布、贯穿介质板s3的金属柱m1；
22.由介质板s3、金属柱m1、金属柱m3构成基片集成波导背腔贴片r；其中金属柱m1构成了基片集成波导，金属柱m3则围成了一个基片集成波导腔。
23.作为优选，孔径耦合贴片p3的宽度影响天线的工作频率。
24.作为优选，缺陷地结构位于由金属柱m1组成的基片集成波导的中间。
25.作为优选，每列互补开口谐振环阵列上相邻两个互补开口谐振环间距相同。
26.作为优选，孔径耦合贴片p3的中心与阶梯波导喇叭的喇叭口(即较小开口)中心重合。
27.下面将本发明所述天线的原理进行详细说明。
28.信号通过由金属柱m1围成的基片集成波导后进入由金属柱m3围成的基片集成波导腔，由腔上方所挖方形槽v1内的孔径耦合贴片p3辐射出能量来激励位于中间层的阶梯波导喇叭w，而阶梯波导喇叭用于通过增加辐射孔径来提高天线单元的增益。最后能量经过与喇叭口贴合的频率选择表面f将带外的信号滤除，同时将带内所需的信号传输出去。此外，为了加强带外抑制的效果，在馈电层的基片集成波导部分还引入了一组缺陷地结构，由互补开口谐振环d1与d2组成。d1可以提供低频辐射零点，d2可以提供高频辐射零点，其余的辐射零点均由频率选择表面产生。当缺陷地提供的辐射零点与频率选择表面提供的辐射零点相互靠近后，则可以给上频带边缘和下频带边缘提供了一个急剧的滚降率。通过调节d1(d11、d12、d13)以及d2的尺寸大小，使得其产生的四个零点与fss所产生的零点在带外形成互补之势，这样可以得到更好的带外抑制效果。
29.d11，d12，d13三者长度l呈阶梯型上升，但不限于谁大谁小，可任意排列。这里以
d12在中间为例，若d12的长度l_dgs为0.2λ
g
，要使得在低频处的带外抑制相对均匀的话，那么d11跟d13的长度l_dgs3、l_dgs4必须为0.2λ
g
±
0.1λ
g
。
30.其中金属柱m2的间距以及孔径耦合贴片p3的宽度可以优化滤波天线的阻抗匹配特性。每列互补开口谐振环d1与d2的长度决定了所提供辐射零点的频率，其宽度、缺口长度、单元之间的间距则决定了滤波效果的好坏。频率选择表面的单元长度、金属贴片层槽宽以及金属网栅层槽宽则调节着另外几个辐射零点的的滤波性能。这种滤波方式不需要额外的传输线级联，从而实现整体结构的小型化，集成化，多功能化。
31.本发明与现有技术相比，其显著优点为：
32.1.本发明把fss跟天线一体化设计，并且利用fss的滤波特性，实现了一定的滤波性能，再结合dgs改善了滤波效果，有效得提高了带外抑制水平。
33.2.本发明将fss、dgs、天线一体化设计实现了结构的高集成度。把射频前端两个重要的器件滤波器和天线融合在一起，实现了射频前端系统的小型化。
34.3.随着频率增加到毫米波频段，由于波长变短，天线的尺寸变小。通常，它可能需要微机械加工使得成本十分高昂。与传统的结构相比，低成本的标准pcb工艺可以用来制作本发明的siw结构，可以降低高昂的加工成本。
附图说明
35.图1是本发明基于fss的平面集成毫米波滤波喇叭天线三维视图；
36.图2是本发明基于fss的平面集成毫米波滤波喇叭天线侧视图；
37.图3是本发明频率选择表面俯视图；
38.图4(a)是本发明频率选择表面单元三维视图；
39.图4(b)是本发明频率选择表面单元金属贴片层示意图；
40.图4(c)是本发明频率选择表面单元金属网栅层示意图；
41.图5(a)是本发明阶梯波导喇叭结构俯视图；
42.图5(b)是本发明阶梯波导喇叭结构侧视图；
43.图6(a)是本发明基片集成波导背腔贴片结构俯视图；
44.图6(b)是本发明基片集成波导背腔贴片结构侧视图；
45.图7是本发明互补开环谐振腔阵列结构俯视图；
46.图8是本发明s参数|s
11
|曲线仿真图；
47.图9是本发明滤波喇叭天线与阶梯波导喇叭天线增益曲线仿真对比图；
48.图10是本发明在25.5ghz处的辐射方向图；
具体实施方式
49.下面结合附图对技术方案的实施进行进一步分析：
50.结合图1、图3、图5、图6，基于fss的平面集成毫米波滤波喇叭天线由三部分组成：频率选择表面f、阶梯波导喇叭w、基片集成波导背腔贴片r。
51.频率选择表面部分是一个4*5的fss单元阵列，每个单元其上表面为金属贴片p1，中间层为金属网栅g1，下表面为金属贴片p2,三者之间从上往下依次为s1、s2两层介质板。金属贴片p1、金属网栅g1、金属贴片p2均开有正六边形环缝隙，且与相邻单元的正六边形环
缝隙连接。
52.由铝质长方体r1和r2上下拼接而成的实心铝块，在其中间挖去方形槽体r3和r4，以此形成阶梯波导喇叭部分。
53.s3作为基片集成波导背腔贴片的介质层，其上表面g2挖了一个方形槽v1，下表面g3刻了一组缺陷地结构。在所述方形槽v1的中间又刻了一个孔径耦合贴片p3。所述的缺陷地结构由d1和d2两个不同尺寸的互补开口谐振环组阵形成。互补开口谐振环由两条c字形槽缝180
°
内外嵌套形成。位于前部的金属柱m1构成了基片集成波导，后部的金属柱m3则围成了一个基片集成波导腔。
54.互补开口谐振环由两个开口朝向相反的开口环构成；较小尺寸的开口环位于较大尺寸的开口环内；较大尺寸的开口环的开口朝向远离方形槽v1侧。
55.频率选择表面f的长宽尺寸与阶梯波导喇叭w的喇叭口尺寸相同。缺陷地结构位于由金属柱m1组成的基片集成波导的中间，每个互补开口谐振环的前后间隔都相同。孔径耦合贴片p3的中心与阶梯波导喇叭的喇叭口中心重合。两组不同大小的1*3谐振腔阵列关于x轴对称。
56.一种基于fss的平面集成毫米波滤波喇叭天线的具体尺寸要求如下：
57.介质板s3的长度l1为1.88λ
g
～2.82λ
g
，宽度w1为1.88λ
g
～2.82λ
g
，高度h1为0.24λ
g
。金属柱m2间距w_w1为0.32λ
g
～0.81λ
g
，方形槽v1的长度l_a1为0.3λ
g
～0.55λ
g
，宽度w_a1为0.66λ
g
～1.11λ
g
。其外围的基片集成波导腔长度l_c1为0.47λ
g
～0.71λ
g
，宽度w_c1为0.88λ
g
～1.41λ
g
。孔径耦合贴片p3的长度l_p1为0.4λ
g
～0.64λ
g
，宽度w_p1为0.24λ
g
～0.41λ
g
。金属柱m1
‑
m3直径d为0.04λ
g
～0.17λ
g
，金属柱间隔s为0.02λ
g
～0.15λ
g
，基片集成波导宽度w为0.94λ
g
～1.88λ
g
。铝质长方体r2的高度h2为0.51λ
g
，方形槽体r4的长度l_rw1为1.18λ
g
～1.5λ
g
，宽度w_rw1为0.51λ
g
～0.66λ
g
，高度h_rw1为0.68λ
g
。铝质长方体r1的高度h3为0.53λ
g
，方形槽体r3的高度h_rw2为0.36λ
g
，长度与宽度和介质板s2一样。
58.频率选择表面单元的正六边形环外环度边长l_fss为0.127λ
g
～0.192λ
g
,位于p1和p2的金属贴片层的正六边形环宽度w2_fss为0.032λ
g
～0.079λ
g
,位于g1的金属网栅层的正六边形环宽度w1_fss为0.032λ
g
～0.079λ
g
。介质层s2与s3的高度h_fss为0.081λ
g
；
59.互补开口谐振环d11的长度l_dgs3为0.128λ
g
～0.224λ
g
，宽度w_dgs3为0.007λ
g
～0.028λ
g
，两环之间槽宽s_dgs3为0.007λ
g
～0.028λ
g
，环的缺口长度g_dgs3为0.007λ
g
～0.028λ
g
。互补开口谐振环d12的长度l_dgs为0.128λ
g
～0.224λ
g
，宽度w_dgs为0.007λ
g
～0.028λ
g
，两环之间槽宽s_dgs为0.007λ
g
～0.028λ
g
，环的缺口长度g_dgs为0.007λ
g
～0.028λ
g
。互补开口谐振环d13的长度l_dgs4为0.128λ
g
～0.224λ
g
，宽度w_dgs4为0.007λ
g
～0.028λ
g
，两环之间槽宽s_dgs4为0.007λ
g
～0.028λ
g
，环的缺口长度g_dgs4为0.007λ
g
～0.028λ
g
。两个互补开口谐振环d1、d2间隙的中心到互补开口谐振环d1、d2的中心距离c_dgs为0.047λ
g
～0.161λ
g
，互补开口谐振环d1组成的1*3阵列的单元间距v_dgs为0.078λ
g
～0.238λ
g
。
60.下面结合实施例对本发明的装置细节及工作情况进行细化说明。
61.结合图2，频率选择表面f、阶梯波导喇叭w、基片集成波导背腔贴片r三部分依次由上而下组成了本发明的滤波天线。
62.结合图3，频率选择表面是fss单元组成的4*5阵列，每个单元的长度为sl，宽度为sw，其值可以通过六边形的边长计算得出。其中sl＝3*l_fss，而喇叭口径
大小，l_rw2＝4*sl，w_rw2＝5*sw。
63.结合图4，fss单元由金属贴片p1、介质板s1、金属网栅p2、介质板s2、金属贴片p3依次由上而下组成。其中介质板选用的相对介电常数为3.2，厚度h_fss为0.508mm(0.081λ
g
)。金属贴片与金属网栅的正六边形槽外边长l_fss均为1mm(0.161λ
g
)，金属贴片的正六边形槽宽w2_fss为0.37mm(0.058λ
g
)，金属网栅的正六边形槽宽w1_fss为0.37mm(0.0581λ
g
)。其中λ0为该滤波天线工作频率25.5ghz处的自由空间波长。
64.结合图5，阶梯波导喇叭由铝通过铣削工艺制成。其外部的长方体高度h2为3.2mm(0.511λ
g
)，h3＝h_rw1+h_rw2
‑
h2。内部的方形槽体r3的高度h_rw2为2.2mm(0.352λ
g
),内部的方形槽体r4的高度h_rw1为4.2mm(0.671λ
g
),长度l_rw1为9mm(1.438λ
g
)宽度w_rw1为3.5mm(0.558λ
g
)。
65.结合图6，底层介质板s1的相对介电常数为3.55，其长宽l1和w1均为16mm(2.558λ
g
),厚度h1为1.524mm(0.242λ
g
)。基片集成波导宽度w为6mm(0.961λ
g
),金属柱的直径d为0.5mm(0.081λ
g
)，相邻两圆柱间隔s为0.4mm(0.064λ
g
)。金属柱m2间距w_w1为4mm(0.64λ
g
),由金属柱m3所围成的基片集成波导腔的长度l_c1为3.8mm(0.610λ
g
),宽度w_c1为7.3mm(1.18λ
g
)。方形槽v1长度l_a1为2.2mm(0.351λ
g
),宽度w_a1为5.4mm(0.863λ
g
)。孔径耦合贴片p3长度l_p1为3.15mm(0.503λ
g
),宽度w_p1为1.62mm(0.261λ
g
)。
66.结合图7，互补开口谐振环d11的长度l_dgs3为1.26mm(0.201λ
g
)，宽度w_dgs3为0.11mm(0.017λ
g
),两环之间槽宽s_dgs3为0.13mm(0.021λ
g
)，环的缺口长度g_dgs3为0.13mm(0.021λ
g
)。互补开口谐振环d12的长度l_dgs为1.2mm(0.192λ
g
)，宽度w_dgs为0.13mm(0.021λ
g
),两环之间槽宽s_dgs为0.13mm(0.021λ
g
)，环的缺口长度g_dgs为0.13mm(0.021λ
g
)。互补开口谐振环d13的长度l_dgs4为1.22mm(0.196λ
g
)，宽度w_dgs4为0.13mm(0.021λ
g
),两环之间槽宽s_dgs4为0.13mm(0.021λ
g
)，环的缺口长度g_dgs4为0.12mm(0.023λ
g
)。两个互补开口谐振环d1、d2间隙的中心到互补开口谐振环d1、d2的中心距离c_dgs为0.8mm(0.128λ
g
)，互补开口谐振环d1组成的1*3阵列的单元间距v_dgs为1.5mm(0.241λ
g
)。互补开口谐振环d2的长度l_dgs2为0.94mm(1.502λ
g
)，宽度w_dgs2为0.1mm(0.015λ
g
),两环之间槽宽s_dgs2为0.11mm(0.017λ
g
)，环的缺口长度g_dgs2为0.09mm(0.017λ
g
)。
67.结合图8，在所给的s
11
曲线中可以看出，基于fss的平面集成毫米波滤波喇叭天线反射系数低于
‑
10db的工作频带为23.15ghz～26.99ghz，相对带宽15.3％，滤波天线的反射系数中显示有两个明显零点。工作频带满足所需的24.25ghz～26.7ghz毫米波频段。
68.结合图9，工作频带内滤波天线的最大增益为26.3ghz处的8.94dbi，与不加频率选择表面和缺陷地结构的阶梯波导喇叭天线相比，最大增益值低1.15db。增益曲线在频带边缘有高滚降率，在频率28.8ghz处，带外增益下降46db以上，实现了很好的边缘选择性。在27ghz以上的高频段内，增益基本小于
‑
10db，带外抑制效果明显。
69.结合图10，基于fss的平面集成毫米波滤波喇叭天线，在e面和h面内都能得到较为对称的辐射方向图。并且e面和h面的交叉极化均小于
‑
15db，可见天线在工作频带内具有良好的辐射特性。