一种三频集成基片间隙波导腔体滤波天线

1.本发明涉及天线技术领域，特别是涉及一种三频集成基片间隙波导腔体滤波天线。


背景技术：

2.频谱资源是移动通信产业发展的关键资源。2019年世界无线电通信大会(wrc-19)确定5g毫米波频段并进行划分。4g基站已经全面覆盖，而5g基站的布局将需要花费大量的时间、经济成本，为此，如果设计的5g毫米波器件能在4g基站兼容，这将会产生重大经济效益。因此，设计能同时在wrc-19划分的5g毫米波频段工作且兼容性好、抗干扰性强及带外抑制好的滤波器具有重要意义。
3.多频滤波响应的设计技术可以归类为：(1)综合设计法、(2)并联谐振单元、(3)耦合多个谐振器的基波与高次谐振模式、(4)利用单个多模谐振器技术四种。技术(3)通过在多个谐振器的第n个谐振模式间产生相互耦合实现多频带通滤波电路响应。其典型代表包括阶梯阻抗谐振器和枝节加载谐振器以及基片集成波导(siw)腔体滤波器。基片集成波导(siw)腔体实现多频滤波响应，在耦合谐振腔时，能量损耗大，使得滤波电路的三个频段插入损耗(il)大。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明的目的是提供一种三频集成基片间隙波导腔体滤波天线。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种三频集成基片间隙波导腔体滤波天线，包括：由下至上依次设置的底层介质板、中间层介质板和顶层介质板；
7.所述底层介质板上设有第一金属通孔，所述底层介质板的下表面印刷有第一金属层，所述底层介质板的上表面相对于所述第一金属通孔的中心位置设有金属贴片，设有金属贴片的第一金属通孔构成三频isgw腔体的纵向四个腔壁；
8.所述中间层介质板的上表面印刷有第二金属层，所述第二金属层与所述第一金属层构成三频isgw腔体的横向上下两个腔壁；
9.所述第二金属层设有缝隙，形成辐射结构，构成三频isgw腔体的滤波天线。
10.可选地，所述顶层介质板的上表面相对于所述三频isgw腔体的中心印刷有圆环型贴片，所述圆环型贴片上设有第二金属通孔，所述第二金属通孔与所述圆环型贴片的内径相切。
11.可选地，所述底层介质板的下表面印刷有微带线馈线。
12.可选地，所述第一金属通孔围成的中间区域设有金属锥形过孔。
13.可选地，所述底层介质板的介电常数和所述顶层介质板的介电常数相同且高于所述中间层介质板的介电常数。
14.可选地，所述底层介质板、所述中间层介质板和所述顶层介质板的长宽相同。
15.可选地，所述底层介质板的厚度大于所述中间层介质板的厚度。
16.可选地，所述馈线的上方设有通孔，所述通孔贯通所述底层介质板、所述中间层介质板和所述顶层介质板，与所述圆环贴片相接。
17.本发明提供的三频集成基片间隙波导腔体滤波天线的底层介质板打了几周第一金属通孔，下表面印刷第一金属层，上表面印刷金属贴片。中间层介质板上表面印刷第二金属层，第二金属层上开两个细长缝隙；设有金属贴片的第一金属通孔构成三频isgw腔体的纵向四个腔壁，所述第二金属层与所述第一金属层构成三频isgw腔体的横向上下两个腔壁，所述第二金属层设有缝隙，形成辐射结构，构成三频isgw腔体的滤波天线，由此得到三频isgw腔体滤波天线。本发明解决了传统多频波导漏波天线需要耦合多个谐振腔问题及不易集成问题，解决了传统波导漏波天线增益低问题，同时具有带外抑制度高、频率选择性好、易加工、结构稳定等优点。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本发明实施例三频集成基片间隙波导腔体滤波天线的结构图；
20.图2为本发明实施例三频集成基片间隙波导腔体滤波天线的底层介质板下表面图；
21.图3为本发明实施例三频集成基片间隙波导腔体滤波天线的底层介质板上表面图；
22.图4为本发明实施例三频集成基片间隙波导腔体滤波天线的中间层介质板上表面图；
23.图5为本发明实施例三频集成基片间隙波导腔体滤波天线的顶层介质板上表面图；
24.图6为三频滤波耦合拓图；
25.图7为馈线的位置选择原理图；
26.图8为本发明三频isgw腔体滤波天线的s11和gain total的测试图。
具体实施方式
27.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，所描述的实施例仅仅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做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。
28.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
29.如图1-5所示，本发明提供的一种三频集成基片间隙波导腔体滤波天线，包括：由下至上依次设置的底层介质板5、中间层介质板7和顶层介质板10。三层介质板长宽相同，通
过粘接或塑料螺丝固定在一起。底层介质板5的介电常数和顶层介质板10的介电常数相同且高于中间层介质板7的介电常数。中间层介质板7的损耗角正切要求较高，需尽量选择损耗角正切小和介电常数小的介质板以较小损耗。底层介质板5的厚度大于中间层介质板7的厚度。
30.底层介质板5打了两周第一金属通孔2，下表面印刷第一金属层6，上表面相应于第一金属通孔2中心位置印刷方形金属贴片3，印刷金属方形贴片的两周第一金属通孔2构成isgw腔体的纵向四个腔壁。
31.中间层介质板7上表面印刷第二金属层8，其与底层介质板5下表面第一金属层6构成isgw腔体的横向上下两个腔壁。isgw腔体实现三频滤波电路响应。isgw腔体的横向上腔壁，也即中间层介质板7上表面第二金属层8切了两个细长缝隙9，形成辐射结构。由此，得到了三频isgw腔体滤波天线。
32.顶层介质板10上表面相应于腔体中心印刷了一个圆环型贴片11，并在圆环贴片打了一圈与内径相切的第二金属通孔12，第二金属通孔12减少旁瓣，增强方向性。需注意，贴片的形状不仅限于圆环形。
33.底层介质板6下表面印刷一条50欧姆微带线馈线1，其处于裸露状态，使宽阻带三频isgw腔体滤波天线的特性阻抗在频率变化时保持稳定，便于集成和测试。
34.为了得到宽阻带，减少频段之间的干扰，在馈线上方打有通孔13，其贯通三层介质板并与圆环贴片11相接。
35.两周第一金属通孔2围成的中间区域设有金属锥形过孔4，通过调节金属锥形过孔4与第一金属通孔2的大小，从而调节腔模之间的耦合，实现拓展每个频段的带宽。
36.本发明提供的三频集成基片间隙波导腔体滤波天线的三频滤波耦合拓扑如图6所示。该耦合拓扑表征了三个通带，第一通带有谐振模式
②
、
③
；第二通带有谐振模式
④
、
⑤
；第三通带有谐振模式
⑥
。在源端s都表现为正耦合，耦合系数m
si
都为正数；在负载端(缝隙天线9)l只有谐振模式
⑥
表现为负耦合，耦合系数m
6l
为负数。在阻带的谐振模式
①
与通带内的谐振模式
⑥
在l端表现为负耦合的特征，使得每个频段的两侧产生一个传输零点，提高滤波天线的频率选择性。通过调节金属锥形过孔4使得第一、二通带，每个通带内有两个谐振模式，实现拓展每个频段的带宽。
37.本发明提供的三频集成基片间隙波导腔体滤波天线的馈线的位置选择原理如图7所示。为了使设计的腔模能实现本发明提出的耦合方案，根据腔模te
mnq
模式的电磁特征，研究馈线的输入输出端口的位置是必要的。根据isgw腔体的类似te
mnq
模式腔模的磁场图，画出了一个腔体内不同频率的te101、te102、te201、te202模式，同时给出a、b、c、d四个端口，以此研究馈线的输入输出端口的位置，实现本发明提出的耦合拓扑。定义：磁流同向为正耦合(+)，异向为负耦合(-)，则根据图7，可以整理四个端口的模式耦合关系，如下表所示。从表中可知，当输入端口位于a，能实现本发明提出的耦合拓扑。
38.表：四个端口的模式耦合关系
[0039] abcdte
101
++++te
102
++
‑‑
te
201
+
‑‑
+
te
202
++
‑‑
[0040]
具体实施例：
[0041]
具体实施案例中，底层介质板5和顶层介质板10采用介电常数为3.38、损耗角正切为0.027，厚度0.813mm的rogers ro4003介质材料；中间层介质板7采用介电常数为2.2、损耗角正切为0.0009、厚度0.254mm的rogers rt 5880介质材料；顶层介质板10采用介电常数为3.38、损耗角正切为0.027，厚度0.508mm的rogers ro4003介质材料；天线整体尺寸为45.58mm*41.4mm*1.575mm。图8每个频段s11《-10db的阻抗带宽为26.1-27.6ghz、31-33ghz和37.6-39ghz，三个频段实现相对带宽(fbw)为5.62％、6.25％、3.70％；对应频段增益(gaintotal)峰值达到了5.82dbi、9.20dbi、8.51dbi，天线的每个频段的增益相比传统漏波天线增加3dbi左右；该天线的阻带带宽达到了10ghz(s11》-3db，10-25ghz)。
[0042]
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
[0043]
在每个通带范围内具有较宽的通带；
[0044]
解决了传统多频波导漏波天线需要耦合多个谐振腔问题及不易集成问题；
[0045]
解决了传统波导漏波天线增益低问题；
[0046]
具有带外抑制度高、频率选择性好、易加工、结构稳定等优点。
[0047]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0048]
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。