一种基于脊波导谐振腔的毫米波滤波天线的制作方法

1.本发明涉及微波毫米波天线领域，特别是涉及一种基于脊波导谐振腔的毫米波滤波天线。


背景技术：

2.随着第五代移动通信(5g)技术及毫米波通信技术的不断发展，要求毫米波通信系统向小型化和高性能发展。为降低收发系统对滤波器的指标要求，滤波功能可以集成在毫米波天线中来有效降低带外噪声，从而提升信噪比，实现小型化的高性能毫米波系统。同时，由于有限的毫米波器件效率，毫米波系统为保证长时间的有效工作，必须保证合理的散热设计。金属结构的天线具有高热传导效率、高天线效率和低批量生产成本的优点，对毫米波通信技术具有重要意义。
3.针对毫米波滤波天线技术，相关专家学者已经开展了广泛的研究，并取得一系列的学术成果和技术成果。然而，就已公开的毫米波天线而言，目前大部分毫米波滤波天线设计采用多层印刷电路板工艺，对于5g毫米波通信应用，仍然有改进的空间，实现小型化的集成金属结构的滤波天线仍是一个问题。


技术实现要素：

4.技术问题：本发明的目的是提供一种能够抑制带外辐射的基于脊波导谐振腔的毫米波滤波天线，提高了天线的效率、频率选择性和热传导效率。
5.技术方案：为达到此目的，本发明的一种基于脊波导谐振腔的毫米波滤波天线采用以下技术方案，
6.该毫米波滤波天线包括从上往下依次层叠的金属盖板、金属波导、第一金属层、介质基板层和第二金属层，金属化过孔贯穿第一金属层、介质基板层和第二金属层；其中，金属盖板上设有辐射缝隙，辐射缝隙之间设有馈电脊；金属波导内设有弯折形波导谐振腔，弯折形波导谐振腔底部有金属波导耦合缝隙，金属波导耦合缝隙两侧各设有2个波导脊；第一金属层设有基片集成波导耦合缝隙与金属波导耦合缝隙相贴合；第二金属层上设有基片集成波导谐振腔和微带线馈电线。
7.所述辐射缝隙有两条设置在一条直线上，构成1
×
2的2元辐射阵列；在两条辐射缝隙之间设有馈电脊，用于调节基片集成波导谐振腔到弯折形波导谐振腔中两个谐振模式的耦合强度。
8.所述的金属波导内设有弯折形波导谐振腔，弯折形波导谐振腔内的两边设有波导脊，以便于调节弯折形波导谐振腔的双模谐振频率。
9.所述弯折形波导谐振腔底部设有金属波导耦合缝隙，与第一金属层设有的基片集成波导耦合缝隙相贴合，用于实现基片集成波导谐振腔和弯折形波导谐振腔的耦合。
10.第二金属层上设有基片集成波导谐振腔和微带线馈电线，微带线馈电线的内端接基片集成波导谐振腔，基片集成波导谐振腔通过微带线馈电线激励，基片集成波导谐振腔
由贯穿第一金属层、介质基板层和第二金属层的金属化过孔包围。
11.所述基于脊波导谐振腔的毫米波滤波天线由m
×
n个毫米波宽带滤波天线构成滤波天线阵列，m、n为自然数；所述滤波天线阵列分别与多通道发射/接收射频前端相连，用于毫米波基站。
12.有益效果：本发明公开了一种基于脊波导谐振腔的毫米波滤波天线，可以能够实现四阶毫米波滤波天线，相对于现有技术采用了金属结构和印刷电路板协同设计，提高了天线的效率、频率选择性和热传导效率。
附图说明
13.图1为本发明具体实施方式中天线的侧视图；
14.图2为本发明具体实施方式中天线的分层结构示意图；
15.图3为本发明具体实施方式中天线的金属盖板的结构示意图；
16.图4a为本发明具体实施方式中天线的金属波导的立体结构示意图；图4b为本发明具体实施方式中天线的金属波导的俯视结构示意图；
17.图5为本发明具体实施方式中天线的第一金属层的结构示意图；
18.图6为本发明具体实施方式中天线的第二金属层的结构示意图；
19.图7为本发明具体实施方式中天线的s参数和法向增益仿真结果图；
20.图8为本发明具体实施方式中天线的xoz面的仿真方向图(26ghz)；
21.图9为本发明具体实施方式中天线的yoz面的仿真方向图(26ghz)；
22.图10为本发明具体实施方式中1
×
8阵列天线的结构示意图；
23.图11为本发明具体实施方式中1
×
8阵列天线的xoz面的波束扫描方向图；
24.图12为本发明具体实施方式中1
×
8阵列天线的波束扫描增益曲线仿真结果图。
25.图中有：金属盖板1、金属波导2、第一金属层3、介质基板层4、第二金属层5、金属化过孔6、辐射缝隙7、馈电脊8、弯折形波导谐振腔9、金属波导耦合缝隙10、波导脊11、基片集成波导耦合缝隙12、基片集成波导谐振腔13、微带线馈电线14。
具体实施方式
26.下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。
27.本具体实施方式公开了一种基于脊波导谐振腔的毫米波滤波天线，如图1和图2所示，包括从上往下依次层叠的金属盖板1、金属波导2、第一金属层3、介质基板层4和第二金属层5。金属化过孔6贯穿第一金属层、介质基板层和第二金属层。介质基板层可采用厚度为0.254mm的介质基片。
28.如图3所示，金属盖板1上蚀刻有2个辐射缝隙7，辐射缝隙7在金属盖板1上邻近放置，设置在一条直线上，构成1
×
2的2元辐射阵列。金属盖板1可采用0.5mm的铝板。在辐射缝隙7之间设有馈电脊8，用于调节基片集成波导谐振腔13到弯折形波导谐振腔9中两个谐振模式的耦合强度。
29.如图4所示，金属波导2内有一个弯折形波导谐振腔9，弯折形波导谐振腔9的底部正中设有金属波导耦合缝隙10。金属波导耦合缝隙10两侧各设有2个波导脊11用于调节弯折形波导谐振腔9的双模谐振频率。
30.如图5所示，第一金属层3上设有基片集成波导耦合缝隙12，其大小与波导腔正中底部设有的金属波导耦合缝隙10相同，两者可以相贴合，用于将基片集成波导谐振腔13中的能量耦合到弯折形波导谐振腔9内。
31.如图6所示，第二金属层5上设有基片集成波导谐振腔13和微带线馈电线14。基片集成波导谐振腔13通过微带线馈电线14激励，基片集成波导谐振腔13由贯穿第一金属层、介质基板层和第二金属层的金属化过孔6包围。
32.本发明的工作原理如下：毫米波信号通过微带线馈电线14激励基片集成波导谐振腔13。基片集成波导谐振腔13中的能量通过相贴合的基片集成波导耦合缝隙12和金属波导耦合缝隙10耦合到弯折形波导谐振腔9中，激励起弯折形波导谐振腔9中的两个谐振模式。馈电脊8用于基片集成波导谐振腔13到弯折形波导谐振腔9中两个谐振模式的耦合强度。通过微调波导脊11的形状，可以使弯折形波导谐振腔9在工作频带内双模谐振。弯折形波导谐振腔9中的能量耦合到金属盖板1上的2个辐射缝隙7，构成1
×
2的2元天线阵列，向自由空间辐射能量。基片集成波导谐振腔13、谐振于两个模式的弯折形波导谐振腔9和辐射缝隙7构成了四阶谐振器，从而在毫米波频段实现四阶滤波的工作效果。
33.图7为天线单元的s参数仿真结果图和增益曲线图。由仿真结果可以看出天线在24.25
‑
27.5ghz的毫米波5g频段内具有良好的回波损耗，s
11
低于
‑
15db。由法向增益仿真结果可以看出，天线24.25
‑
27.5ghz的毫米波5g频段内具有平坦的增益，带内增益约为7.5dbi。天线在带外有较好的抑制，辐射上边带设有辐射零点，有较好的带外增益滚降系数。辐射上边带的辐射零点是由于弯折形波导谐振腔9中两个模式在该频点处传输能量刚好反相抵消。
34.图8
‑
9面为天线的在26ghz下xoz面、yoz面的归一化方向图的仿真结果。仿真结果可以看出在26ghz，天线在xoz面具有较宽的波束宽度。由于天线在yoz面组成阵列，天线在yoz面的波束宽度较窄。天线主波束在xoz面、yoz面内均具有较低的交叉极化，交叉极化分量相对于共极化分量小了40db以上。
35.所述的一种基于脊波导谐振腔的毫米波滤波天线可以构成滤波天线阵列，由m
×
n个毫米波滤波天线构成，m、n为整数。如图10所示，是本发明一个实施例提供的滤波天线阵。滤波天线阵包括八个天线单元，其中每个天线单元可以采用前述的毫米波滤波天线15，所述装置用于毫米波基站。所述滤波天线阵列分别与多通道发射/接收射频前端相连接，实现天线的波束扫描，同时具有良好的带通滤波效果。
36.如图11所示，是本发明一个实施例提供的滤波天线阵列一个极化的xoz面的波束扫描方向图，在+/
‑
60
°
范围内均有良好的副瓣抑制，副瓣抑制比大于10db，从0
°
扫描到60
°
增益只下降3db。
37.如图12所示，是本发明一个实施例提供的滤波天线阵列的波束扫描增益曲线图，通带增益具有良好的平坦度，同时对带外信号具有良好的抑制。
38.本发明提供的一种基于脊波导谐振腔的毫米波滤波天线具有紧凑的结构，较宽的阻抗带宽，较好的天线增益滤波响应，较高正交极化区分度以及较宽的扫描角度等特点，可以实现与金属结构一体化的毫米波滤波天线，并与5g毫米波多通道发射/接收射频前端直接集成。