一种高带宽SIW圆极化滤波天线

一种高带宽siw圆极化滤波天线
技术领域
1.本发明属于卫星无线通信技术领域，具体涉及一种高带宽siw圆极化滤波天线。


背景技术：

2.卫星通信就是利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电磁波，从而实现两个或多个地球站之间的通信。其中，天线作为发射或接收电磁波的部件，在卫星通信系统中扮演着重要角色。随着卫星通信技术的发展，为了应对卫星通信中遇到的频段拥挤、极化失配以及窄带宽等问题，科研人员设计出一种可同时覆盖x波段和ku波段的圆极化天线。进一步地，为了满足小型化以及对电路性能日益严峻的要求，通常将滤波器与天线这两个射频前端电路的主要部件进行一体化协同设计。
3.在现有的相关技术中，常通过复杂排布的馈电网络与微带天线相耦合的形式以达到圆极化和滤波的效果，但这一实现机制提高了设计的难度，同时增加了馈电网络的占用面积，并不利于天线模块小型化的实现以及实际生产。
4.此外，相关技术中还提供了一种基于siw腔体实现的垂直堆叠结构的圆极化滤波天线。通过在siw腔体中特殊位置设置激励，产生出多重的高阶谐振模式，以达到满意的辐射效果。然而电场复杂分布的高阶模式并不利于广泛应用，并且较窄的轴比带宽与增益带宽仍有待进一步改善。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种高带宽siw圆极化滤波天线。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
6.一种高带宽siw圆极化滤波天线，自下而上依次包括：第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层、第三金属层、第三介质层以及第四介质层；其中，
7.所述第一金属层上设置有一共面波导结构；
8.所述第一介质层上设有多个第一通孔，多个所述第一通孔均匀排布以形成具有一个输入窗口的第一siw谐振腔；沿垂直于第一金属层所在平面的方向，所述输入窗口的正投影与所述共面波导结构的正投影交叠；
9.所述第二金属层上设有若干个辐射窗口；
10.所述第二介质层上设有多个第二通孔，多个所述第二通孔均匀排布以形成第二siw谐振腔；沿垂直于第一金属层所在平面的方向，所述辐射窗口的正投影位于所述第二siw谐振腔的中心位置；
11.所述第三金属层上设有一个半圆形缝隙，所述半圆形缝隙内部嵌套有一个半圆形的第一微带贴片；沿垂直于第一金属层所在平面的方向，所述半圆形缝隙和所述第一微带贴片的正投影均位于所述第二siw谐振腔内，且与所述辐射窗口的正投影交叠；
12.所述第四介质层上设有多个第三通孔，多个所述第三通孔均匀排布以形成第三siw谐振腔；所述第三siw谐振腔内设有若干与所述辐射窗口对应交叠的第二微带贴片，且
所述第二微带贴片相对竖直方向具有一定的偏转角度。
13.在本发明的一个实施例中，所述辐射窗口为矩形或者圆形。
14.在本发明的一个实施例中，所述辐射窗口的中心位置相对所述第一siw谐振腔的中心位置向左具有一定的偏移。
15.在本发明的一个实施例中，所述半圆形缝隙和所述半圆形的第一微带贴片边缘间距处处相等，且两者的直径方向相对竖直方向均旋转有一定角度。
16.在本发明的一个实施例中，所述第二微带贴片包括一个经过切割且与所述第一微带贴片交叠的半圆形微带贴片。
17.在本发明的一个实施例中，所述第一微带贴片的谐振频率与所述第二siw谐振腔的中心频率相等。
18.在本发明的一个实施例中，所述第一金属层上还设有多个第四通孔，多个所述第四通孔形成第一圆形区域；所述第二金属层上还设有多个第五通孔，所述第五通孔形成第二圆形区，且所述辐射窗口位于所述第二圆形区域内。
19.在本发明的一个实施例中，所述第三金属层还包括多个第六通孔，多个所述第六通孔形成第三圆形区域，所述半圆形缝隙与所述半圆形的第一微带贴片均位于所述第三圆形区域内。
20.在本发明的一个实施例中，所述第一介质层、第二介质层、第三介质层以及第四介质层的材料均为介电常数为2.2、损耗正切为0.0009的duroid5880罗杰斯材料；其中，第一介质层厚度为0.508mm，第二介质层厚度为1.524mm，第三介质层厚度为0.762mm，第四介质层厚度为0.762mm。
21.在本发明的一个实施例中，所述第二siw谐振腔为圆形siw腔体，其几何半径r
cav
的计算公式为：
[0022][0023]
其中，c表示自由空间中的光速，εr表示第二介质层材料的相对介电常数，μr表示第二介质层的磁导率，fr表示第二siw谐振腔工作的中心频率；
[0024]
所述半圆形的第一微带贴片等效半径的计算公式为：
[0025][0026]
其中，k
mn
表示m阶bessel函数导数的第n个零点，h表示第二介质层的厚度，r表示半圆形的第一微带贴片的几何半径。
[0027]
本发明的有益效果：
[0028]
本发明提供的高带宽siw圆极化滤波天线通过第四介质层中旋转一定角度的第二微带贴片与第二金属层中的辐射窗口协同产生圆极化辐射，同时在中间的第三金属层和第二介质层中增加第一微带贴片与第二siw谐振腔的嵌套耦合结构，以产生带通的滤波效果，从而在小型化的基础上同时实现了圆极化与带通滤波的辐射特性，此外，还获得了较宽的增益带宽与轴比带宽，解决了现有技术中圆极化滤波天线带宽较窄、适用范围有限的问题。
[0029]
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
[0030]
图1是本发明实施例提供的一种高带宽siw圆极化滤波天线的结构示意图；
[0031]
图2是本发明实施例提供的第一金属层的一种结构示意图；
[0032]
图3是本发明实施例提供的第一介质层的一种结构示意图；
[0033]
图4是本发明实施例提供的第二金属层的一种结构示意图；
[0034]
图5是本发明实施例提供的第二介质层的一种结构示意图；
[0035]
图6是本发明实施例提供的第三金属层的一种结构示意图；
[0036]
图7是本发明实施例提供的第三介质层的一种结构示意图；
[0037]
图8是本发明实施例提供的第四介质层的一种结构示意图；
[0038]
图9是本发明实施例提供的反射损耗仿真结果示意图；
[0039]
图10是本发明实施例提供的增益随频率变化趋势仿真结果示意图；
[0040]
图11是本发明实施例提供的轴比随频率分布仿真结果示意图。
具体实施方式
[0041]
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0042]
实施例一
[0043]
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种高带宽siw圆极化滤波天线的结构示意图，其自下而上依次包括：第一金属层1、第一介质层2、第二金属层3、第二介质层4、第三金属层5、第三介质层6以及第四介质层7；其中，
[0044]
所述第一金属层1上设置有一共面波导结构101；
[0045]
所述第一介质层2上设有多个第一通孔201，多个所述第一通孔201均匀排布以形成具有一个输入窗口202的第一siw谐振腔203；沿垂直于第一金属层1所在平面的方向，所述输入窗口202的正投影与所述共面波导结构101的正投影交叠；
[0046]
所述第二金属层3上设有若干个辐射窗口301；
[0047]
所述第二介质层4上设有多个第二通孔401，多个所述第二通孔401均匀排布以形成第二siw谐振腔402；沿垂直于第一金属层1所在平面的方向，所述辐射窗口301的正投影位于所述第二siw谐振腔402的中心位置；
[0048]
所述第三金属层5上设有一个半圆形缝隙501，所述半圆形缝隙501内部嵌套有一个半圆形的第一微带贴片502；沿垂直于第一金属层1所在平面的方向，所述半圆形缝隙501和所述第一微带贴片502的正投影均位于所述第二siw谐振腔402内，且与所述辐射窗口301的正投影交叠；
[0049]
所述第四介质层7上设有多个第三通孔701，多个所述第三通孔701形成第三siw谐振腔702；所述第三siw谐振腔702内设有若干与所述辐射窗口301对应交叠的第二微带贴片703，且所述第二微带贴片703相对竖直方向具有一定的偏转角度。
[0050]
需要说明的是，上述高带宽siw圆极化滤波天线中，第一金属层1、第一介质层2、第二金属层3、第二介质层4、第三金属层5、第三介质层6和第四介质层7的尺寸大小实际上是相同的、并且各层的边界均重合，图1仅用于示意各金属层和介质层的结构。
[0051]
下面结合附图2-8，对上述高带宽siw圆极化滤波天线的每一层结构进行详细描
述。
[0052]
请参见图2，图2是本发明实施例提供的第一金属层的一种结构示意图，其上设有共面波导结构101。该共面波导结构101为平面结构，主要由介质基片和三条微带线组成，具有体积小、重量轻等特点。
[0053]
在图1所示视角下，第一介质层2位于第一金属层1的上方，其包括多个第一通孔201；第一通孔201形成一个输入窗口202及一个siw谐振腔203(也即第一siw谐振腔)，如图3所示。
[0054]
需要说明的是，除了输入窗口202位置处，其他第一通孔201之间的距离均相等，并且沿垂直于第一金属层1所在平面的方向，输入窗口202的正投影与所述第一共面波导101的正投影交叠，从而使输入窗口202和共面波导结构101形成一个输入端口，共面波导结构101的一部分通过该输入窗口202进入到第一siw谐振腔203中。
[0055]
具体地，该共面波导结构101的宽度可以为1.604mm，微带线宽度可以为1.52mm，其进入第一siw谐振腔203的长度决定了激励源与第一siw谐振腔203的耦合强度，一般可为6.29mm。
[0056]
进一步地，第二金属层3位于第一介质层2的上方。可选的，第二金属层3包括一个辐射窗口301，如图4所示，其中，辐射窗口301的形状可以为矩形或圆形，本实施例优选矩形作为辐射窗口301的形状。
[0057]
在本实施例中，辐射窗口301的中心位置相对第一siw谐振腔203的中心位置向左具有一定的偏移，以获得更好的耦合效果。优选的，以第一siw谐振腔内中心为原点，水平向右为x正方向，辐射窗口301可位于第一siw谐振腔内中心沿水平方向x位移-0.8mm位置处。
[0058]
当然，在本发明的一些其他实施例中，辐射窗口301也可以位于第一siw谐振腔203的其他位置，本实施例对此不作限定。
[0059]
可选的，所述第一金属层1上还设有多个第四通孔102，所述第四通孔102形成一个第一圆形区域103，如图2所示；所述第二金属层3上还设有多个第五通孔302，所述第五通孔302形成一个第二圆形区域303，如图4所示，且所述辐射窗口301位于第二圆形区域内303。
[0060]
其中，所述第一圆形区域103和所述第二圆形区域303的正投影与所述第一siw谐振腔203的正投影重合。由此，第四通孔102和第五通孔302的大小及排布方式与第一通孔201相同，可同时制备形成。
[0061]
进一步地，请参见图5，图5是本发明实施例提供的第二介质层的一种结构示意图，第二介质层4包括多个第二通孔401，多个第二通孔401均匀排布形成一个siw谐振腔402也即第二siw谐振腔。其中，第二通孔401的排布方式与第一通孔201相同，但不包括输入窗口202，也就是说，对于任意相邻的两个第二通孔401，二者的圆心夹角均相等。
[0062]
在本实施例中，第三金属层5包括一个半圆形的缝隙501以及嵌套在半圆形的缝隙501内的半圆形的第一微带贴片502，沿垂直于第一金属层1所在平面的方向，半圆形缝隙501的正投影位于第二通孔构成的第二siw谐振腔402内，半圆形贴片502的正投影位于第二通孔构成的第二siw谐振腔402内，如图6所示。其中，所述半圆形缝隙501和所述半圆形的第一微带贴片502边缘间距处处相等，且两者的直径方向相对竖直方向均旋转有一定角度。
[0063]
可选的，半圆形第一微带贴片502嵌套于半圆形缝隙501内，两者的直径方向自竖直方向沿逆时针旋转45度，同时微带贴片502的边缘与半圆形缝隙501边缘保持处处相等的
间距2.5mm。第二siw谐振腔402与第一微带贴片502的嵌套耦合结构引入辐射零点，产生带通的滤波效果。其中第一微带贴片502的谐振频率与第二siw谐振腔402的中心频率相等。
[0064]
进一步地，请继续参见图6，第三金属层5还包括多个第六通孔503，第六通孔503的排布方式与第二介质层4中第二通孔401的大小及排布方式相同，形成了一个第三圆形区域504，半圆形缝隙501位于第三圆形区域504内，且与所述第二siw谐振腔402的正投影重合。
[0065]
其中，第三圆形区域504与第二圆形区域303存在第一方向x上的位移0.755mm，也即第二siw谐振腔402与第一siw谐振腔203存在第一方向x上的位移0.755mm。
[0066]
在本实施例中，第三介质层6的结构如图7所示，其主要用作电隔离。
[0067]
请参见图8，图8是本发明实施例提供的第四介质层的一种结构示意图，其中，第二微带贴片703包括一个经过切割且与第一微带贴片502交叠的半圆形微带贴片，其位于siw谐振腔702的上表面，谐振腔用于减少不必要的能量损耗，提高辐射效率。
[0068]
可以理解的是，第二微带贴片703在垂直于第一金属层1所在平面的方向上的正投影覆盖辐射窗口301，通过辐射窗口301与第二微带贴片703的共同作用产生圆极化辐射效果。一般来说，第二微带贴片703在垂直于第一金属层1所在平面的方向上的正投影与第一微带贴片502相交叠，有益于优化上述产生的圆极化滤波的辐射效果。
[0069]
进一步地，第二微带贴片703的辐射效果还与微带贴片本身的尺寸、形状以及位置息息相关，本实施例中第二微带贴片703为一两端向内缩进0.08mm的半圆形，沿逆时针方向旋转45度得到。
[0070]
显然，本实施例采用经过切割的半圆形第二微带贴片703，有益于增大轴比带宽；同时在辐射窗口301与第二微带贴片703的中间位置增加半圆形第一微带贴片502与半圆形缝隙501的嵌套结构，在不增加尺寸的基础上引入滤波效果，得到拥有宽增益带宽的圆极化滤波天线。
[0071]
需要说明的是，第四介质层7中第二微带贴片703的数量应当根据第二金属层3中辐射窗口301的数量灵活调整。例如，当第二金属层3包括两个辐射窗口301时，第四介质层7也需要包括两个第二微带贴片703，两个第二微带贴片703在垂直于第一金属层1所在平面的方向上的正投影分别覆盖两个辐射窗口301。
[0072]
此外，siw谐振腔203与微带贴片703的耦合强度由辐射窗口301的尺寸和位置决定，以矩形的辐射窗口301为例，其宽度为1.5mm、长度为7.8mm时，可以达到较好的耦合效果。
[0073]
在本实施例中，第一介质层2、第二介质层4、第三介质层6以及第四介质层7的材料均为介电常数为2.2、损耗正切为0.0009的duroid 5880罗杰斯材料；其中，第一介质层2的厚度为四层厚度，即第一介质层2的厚度为0.508mm；第二介质层4的厚度为十二层厚度，即第二介质层4的厚度为1.524mm；第三介质层6的厚度为六层厚度，即第三介质层6的厚度为0.762mm；第四介质层7的厚度为六层厚度，即第四介质层7的厚度为0.762mm。
[0074]
本发明提供的高带宽siw圆极化滤波天线通过第四介质层中旋转一定角度的第二微带贴片与第二金属层中的辐射窗口协同产生圆极化辐射，同时在中间的第三金属层和第二介质层中增加第一微带贴片与第二siw谐振腔的嵌套耦合结构，以产生带通的滤波效果，从而在小型化的基础上同时实现了圆极化与带通滤波的辐射特性，此外，还获得了较宽的增益带宽与轴比带宽，解决了现有技术中圆极化滤波天线带宽较窄、适用范围有限的问题。
[0075]
实施例二
[0076]
下面通过仿真软件，对本发明提供的圆极化滤波天线进行三维建模和性能仿真，以验证本发明提供的高带宽siw圆极化滤波天线的有益效果。
[0077]
2.1试验平台：
[0078]
本次仿真试验采用三维电磁全波仿真软件hfss_18.0进行。
[0079]
2.2仿真内容
[0080]
本次仿真试验采用的第一微带贴片502的谐振频率为13.5ghz、以主模为工作模式，第二介质层4采用厚度为1.524mm的duroid 5880罗杰斯材料，第二通孔401的直径为1mm、相邻两个第二通孔401的圆心角为15度。
[0081]
第二siw谐振腔402为圆形siw腔体，其中心频率fr的计算公式为：
[0082][0083]
式中，c表示自由空间中的光速，μr表示第二介质层的磁导率，εr表示第二介质层材料的相对介电常数，r
cav
为第二siw谐振腔的几何半径。
[0084]
则，第二siw谐振腔的几何半径r
cav
的计算公式为：
[0085][0086]
其中，第二siw谐振腔402的中心频率fr与第一微带贴片502的谐振频率相同。
[0087]
第二微带贴片502的等效半径的计算公式为：
[0088][0089]
式中，k
mn
表示m阶bessel函数导数的第n个零点，h表示第二介质层4的厚度，r表示半圆形的第一微带贴片的几何半径，本实施例取值为3.5mm。
[0090]
进一步地，由于re是半圆形第一微带贴片502的等效半径，它是考虑了谐振器边缘场效应以后的半径，因此，re的确定需要利用微带贴片的几何半径r进行修正，修正公式如下所示：
[0091][0092]
通过以上计算，确定了高带宽siw圆极化滤波天线的仿真模型的具体结构，并利用三维电磁全波仿真软件hfss_18.0仿真模型的反射损耗s11、增益随频率变化趋势以及轴比随频率分布。
[0093]
2.3仿真结果及分析
[0094]
请参见图9-11，图9是本发明实施例提供的反射损耗仿真结果示意图；
[0095]
图10是本发明实施例提供的增益随频率变化趋势仿真结果示意图；图11是本发明实施例提供的轴比随频率分布仿真结果示意图。
[0096]
由图9可知，该结构反射损耗s11的分数带宽为7.51％，中心频率为13.58ghz。从图10可见，本次仿真增益在3db以上的频率范围是8.04ghz到14.22ghz，分数带宽为55.53％，
最大增益为6.5dbi；同时，在6.77ghz与14.94ghz处引入两个辐射零点，实现带通的滤波效果。另外在图11中，轴比在3db以下的频率范围是11.97ghz到13.92ghz，分数带宽为15.06％。
[0097]
由此可见，本发明的高带宽siw圆极化滤波天线在同时实现了圆极化与带通滤波的辐射性能的基础上，还获得了较宽的增益带宽与轴比带宽。
[0098]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0099]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0100]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0101]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
[0102]
尽管在此结合各实施例对本技术进行了描述，然而，在实施所要求保护的本技术过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
[0103]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。