专利名称：水平极化定向平面滤波天线的制作方法
技术领域：
本发明属于通信技术应用领域，具体涉及一种水平极化定向平面滤波天线。
背景技术：
近年来，无线通信技术得到了快速发展，并获得了广泛应用。天线是无线通信系统的关键部件，定向辐射天线是在一定的辐射角度内具有较高辐射增益，可满足一些无线通信系统的特殊辐射要求。现代通信系统要求低成本、易制作、易于与其他微波射频平面电路集成的天线。目前低频通信已经趋向饱和，于是，高频段、易制作、易集成的天线成为新的研
J Ll ； ^^ O常见的辐射振子，单个辐射单元的增益有限，为提高辐射增益，可将多个辐射单元组成阵列，但同一个阵列中的辐射单元数目越多，馈电网络就越复杂。随着频率的提高，比如在Ku波段，复杂的馈电网络又会带来损耗大，寄生辐射强等问题。
发明内容
发明目的针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种水平极化定向平面滤波天线，该天线易于制作、加工精度高，在较高频率，例如Ku波段 (12. 4GHz-18GHz)，尤其适用。技术方案为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种水平极化定向平面滤波天线(以下简称“滤波天线”)，辐射部分采用SIW(Substrate Integrated Waveguide，基片集成波导)单面缝隙作为缝隙辐射单元(以下简称“辐射单元”)，形成定向，多个单面缝隙组合形成缝隙辐射阵列(以下简称“辐射阵列”)，用以提高天线辐射增益。滤波天线的滤波器部分采用SIW感性窗口滤波器(以下简称“滤波器”)。滤波天线对于工作频带外信号具有良好的抑制效果，只有通过滤波器的信号才能激发天线。基于SIW 技术的滤波天线具有平面结构，可以采用标准的PCB工艺制作，易实现、易集成、精度高、成本低，特别在高频段，例如Ku波段，可以有效解决电路尺寸小、制作难的问题。水平极化定向平面滤波天线为三层结构，中间是介质层，正面是上表面金属层，背面是下表面金属层，外形为长方形；在上表面金属层的一端连接有微带线，微带线通过微带渐变线和SIW传输线相连接；SIW传输线是由两排相距一定距离(SIW传输线宽度)的、上表面金属层与下表面金属层之间的、穿过介质层的金属化通孔构成；在Siw传输线上，设有由金属化通孔构成的SIW感性窗口滤波器的耦合窗口和谐振腔；SIW感性窗口滤波器后是辐射单元；辐射单元沿着该滤波天线的中心线两侧交替分布；在最后一个辐射单元之后， 设有上、下表面金属层间的金属化通孔，将SIW传输线短路。有益效果本发明SIW技术的滤波器和辐射阵列的联合设计，将滤波器和辐射阵列集成在同一个SIW中，设计出水平极化定向平面滤波天线。SIW损耗小、寄生辐射极低、呈平面结构、易于采用标准PCB工艺加工，整个滤波天线结构简单、易于采用标准PCB工艺加工、易与其他微波射频电路集成。采用PCB工艺制作的水平极化定向平面滤波天线，加工精度高，在高频段，例如Ku波段，可以有效解决电路尺寸小、制作难的问题，同时加工成本低、 易于批量生产。滤波器和辐射阵列协同工作，只有通过滤波器的信号才能激励辐射阵列。SIW感性窗口滤波器作为射频前端滤波器和辐射阵列集成在一个SIW电路中，可以避免通用的电缆连接带来的损耗。在高频段，例如在Ku频段，开放线型的馈电网络在这个频段上损耗较大，并带来较大的寄生辐射，影响天线性能，基于SIW技术设计的滤波天线损耗小，寄生辐射弱；辐射单元在组成辐射阵列时无需添加其他功率分配网络，简化了设计步骤，制作方便、损耗较低。所述辐射阵列为SIW单面纵向缝隙阵列，具有水平极化定向辐射特性，整个滤波天线也保持了水平极化定向辐射特性。同时，滤波天线可以很好的滤除工作频带外杂散信号。水平极化定向平面滤波天线是一种平面天线，在组成多输入多输出(MIMO)阵列时，多个滤波天线可以集成在同一块介质基板(即介质层)上，可以保证整个阵列的一致性。
图1 (a)为SIW单面纵向缝隙阵天线上表面金属层结构示意图；图1 (b)为SIW单面纵向缝隙阵天线下表面金属层结构示意图；图2(a)为水平极化定向平面滤波天线上表面金属层结构示意图；图2(b)为水平极化定向平面滤波天线下表面金属层结构示意图；图3为实施例中工作在14. 4GHz附近的SIW单面纵向缝隙阵天线和水平极化定向平面滤波天线输入端反射系数测试结果；图4为实施例中水平极化定向平面滤波天线在14. 4GHz上E面和H面辐射方向图测试结果。图中，1.上表面金属层，2.下表面金属层，3.微带线，4.微带渐变线，5.金属化通孔，6. SIW表面纵向缝隙，7. SIff感性窗口滤波器耦合窗口，8. SIff感性窗口滤波器谐振腔。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。水平极化定向平面滤波天线，是将SIW滤波器和SIW单面辐射缝隙阵列联合设计、 集成在一个SIW上实现。实施例中的滤波天线工作在Ku波段，辐射部分由八个SIW上表面缝隙(即辐射单元)组成辐射阵列，每个缝隙宽度、长度相同，沿着该滤波天线的中心线两侧交替分布；实施例中，滤波器部分采用Siw三阶感性窗口滤波器。实施例中，如图1和图2中的天线均采用特性阻抗为50欧姆微带线作为馈电端口。图1中，50欧姆微带线输入端口和SIW传输线之间通过微带渐变线连接，SIW传输线是由两排相距一定距离(SIW传输线的宽度)的、上表面金属层与下表面金属层之间的、穿过介质层的金属化通孔构成；SIW传输线的上表面金属上刻着缝隙阵列，缝隙阵列形成定向辐射；SIW传输线的末端采用一排金属化通孔实现短路。图2中，50欧姆微带线输入端口和 SIW传输线之间通过微带渐变线连接，SIW传输线是由两排相距一定距离(SIW传输线的宽度)的、上表面金属层与下表面金属层之间的、穿过介质层的金属化通孔构成；在SIW传输线上，有由金属化通孔构成的SIW感性窗口滤波器的耦合窗口和SIW感性窗口滤波器谐振腔；SIW感性窗口滤波器之后的SIW传输线上表面金属上刻着缝隙阵列(辐射阵列)；SIW 传输线的末端采用一排金属化通孔实现短路。图2中的滤波天线具有水平极化、定向辐射特性。按照图1和图2结构制作了工作在14. 4GHz的Ku波段水平极化定向平面滤波天线。天线采用PCB工艺制作在介质基板上。介质基板采用了厚度为Imm的介电常数为2. 55 的Taconic (泰康尼克)。实施例按以下尺寸在上述介质基板上制作实施例中工作在14. 4GHz附近的SIW单面缝隙阵天线微带线宽度为2. 8mm ；微带渐变线长度为1. 5mm ；微点渐变线宽端宽度为4mm ；金属化通孔直径为0. 6mm ；相邻金属化通孔间距为Imm ；SIW传输线宽度为9. 4mm ；SIW缝隙长度为7. 9mm ；相邻缝隙中心垂直距离为9. 62mm ；缝隙宽度为0. Imm ；缝隙中心偏离SIW中心线距离为0. 28mm ；第一个缝隙中心距 SIff始端垂直距离为9. 62mm，最后一个缝隙中心距SIW末端垂直距离为4. 81mm。实施例中工作在14.4GHz附近的水平极化定向平面滤波天线微带线宽度为 2. 8mm ；微带渐变线长度为1. 5mm ；微点渐变线宽端宽度为4mm ；金属化通孔直径为0. 6mm ； 相邻金属化通孔间距为Imm ；SIW传输线宽度为9. 4mm ；SIW感性窗口滤波器的四个耦合窗口宽度分别为5. 36mm, 3. 57mm, 3. 57mm, 5. 36mm ；SIW感性窗口滤波器的三个谐振腔长度为别为8. 41mm, 9. 26mm, 8. 41mm ；SIW缝隙长度为7. 88mm ；相邻缝隙中心垂直距离为9. 58mm ； 缝隙宽度为0. Imm ；缝隙中心偏离SIW中心线距离为0. 28mm ；第一个缝隙中心距SIW感性窗口滤波器最后一个谐振腔垂直距离为14. 58mm，最后一个缝隙中心距SIW末端垂直距离为 4. 79mm。图3为实施例中工作在14. 4GHz附近的SIW单面纵向缝隙阵天线和水平极化定向平面滤波天线输入端反射系数测试结果(图中虚线所示的“天线”为SIW单面纵向缝隙阵天线，实线所示的“滤波天线”为水平极化定向平面滤波天线)，可以看到滤波天线可以有效地滤波带外无用信号；图4为实施例中水平极化定向平面滤波天线在14. 4GHz上E面和 H面辐射方向图测试结果，可以看到滤波天线具有水平极化定向辐射特性，有效保持了辐射阵列的辐射特性。
权利要求
1.一种水平极化定向平面滤波天线，从下到上依次为下表面金属层、介质层和上表面金属层；在所述上表面金属层的一端设有微带线，所述微带线通过微带渐变线和SIW传输线连接，所述上表面金属层上设有缝隙辐射阵列，所述SIW传输线的末端短路，其特征在于所述SIW传输线上设有SIW感性窗口滤波器的耦合窗口和谐振腔。
2.根据权利要求1所述水平极化定向平面滤波天线，其特征在于所述SIW传输线为所述上表面金属层与下表面金属层之间的且穿过介质层的两排金属化通孔。
3.根据权利要求1所述水平极化定向平面滤波天线，其特征在于所述缝隙辐射阵列为多个缝隙辐射单元。
4.根据权利要求3所述水平极化定向平面滤波天线，其特征在于所述缝隙辐射单元沿着所述上表面金属层的中心线两侧交替分布。
5.根据权利要求3或4所述水平极化定向平面滤波天线，其特征在于所述缝隙辐射单元的数量为8个。
6.根据权利要求1所述水平极化定向平面滤波天线，其特征在于所述短路的结构为设在SIW传输线末端的一排金属化通孔。
全文摘要
本发明公开了一种水平极化定向平面滤波天线，从下到上依次为下表面金属层、介质层和上表面金属层；在所述上表面金属层的一端设有微带线，所述微带线通过微带渐变线和SIW传输线连接，所述上表面金属层上设有缝隙辐射阵列，所述SIW传输线的末端短路，所述SIW传输线上设有SIW感性窗口滤波器的耦合窗口和谐振腔。本发明水平极化定向平面滤波天线易于制作、加工精度高，在较高频率，例如Ku波段，尤其适用。
文档编号H01Q21/00GK102394365SQ201110301309
公开日2012年3月28日 申请日期2011年10月9日 优先权日2011年10月9日
发明者余晨, 周健义, 洪伟 申请人:东南大学