滤波功能植入的毫米波平板缝隙阵列天线

1.本发明涉及射频通信技术领域，尤其涉及滤波功能植入的毫米波平板缝隙阵列天线。


背景技术：

2.随着现代无线通信技术的不断发展，有限的频谱资源越发拥挤，可以利用的频带越发不足，人们着眼于应用在更高频率更宽带宽的毫米波通信系统。毫米波通信系统具有可使用的频带宽，通信系统的信道容量大，以及器件小型化易实现等优点。然而在毫米波频段传统传输线的介质损耗变强，线间耦合以及辐射效应明显，限制了毫米波系统的集成化和小型化。基于电化学增材制造的新型传输线不仅在宽频带内具有低损耗、高线间隔离的优点，而且具有准平面、自封装、易互连集成的特点，因此在集成化和小型化的毫米波通信系统设计中存在巨大的潜在优势。
3.滤波器和天线作为选频和辐射的功能部件，在毫米波微系统中功能集成的情况非常普遍。一方面，将滤波器和天线独立设计再级联的方案越来越不能满足毫米波系统体积重量越来越小、电学性能越来越高、电学功能越来越多的发展趋势，如何利用阵列天线能够提供的有限异形物理空间一体化集成毫米波滤波器的功能具有重要的现实意义。另一方面，铜基微同轴线毫米波滤波器不能直接测试以及与其他传输线模块互连集成，相关互连集成过渡接口设计研究不足严重制约了铜基微同轴的应用场景。


技术实现要素：

4.本发明针对传统介质基底传输线在毫米波频段损耗大、金属腔体波导难以集成化小型化以及传统多功能协同设计方法带来的电路冗余和级间不匹配等问题，基于铜基微同轴线提出了滤波功能植入的毫米波平板缝隙阵列天线的设计方法；本发明结合三维多层金属结构垂直布局有利条件，设计容性、感性耦合路径引入交叉耦合产生传输零点，提出在有限异形物理空间下垂直布局毫米波滤波器的设计方法；本发明构建铜基微同轴与准平面金属波导的互连集成过渡接口设计方法与技术，解决了过渡结构复杂度高、损耗高的问题；本发明基于多器件功能协同设计理论与方法，灵活设计毫米波滤波器的错位排布垂直布局以充分利用阵列天线剩余异形空间，提出了一种高次模辐射单元天线阵列与三维准平面低损耗馈电电路一体化设计与集成方法，有利于实现轻量化、高集成度、高性能的毫米波系统。
5.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：滤波功能植入的毫米波平板缝隙阵列天线，包括：
6.铜基微同轴线-准平面波导过渡结构；
7.毫米波滤波器，其上设置的矩形谐振腔与所述铜基微同轴线-准平面波导过渡结构通过准平面波导直接连接；
8.准平面波导馈电功分网络，其输入端口与所述错位垂直布局交叉耦合毫米波滤波器的矩形谐振腔直接连接；
9.所述铜基微同轴线-准平面波导过渡结构、毫米波滤波器与准平面波导馈电功分网络集成实现三维准平面低损耗一体化阵列天线的馈电电路；
10.高次模平板缝隙天线阵，设置在所述馈电电路上方，由所述馈电电路通过耦合缝隙对高次模平板缝隙天线阵进行激励。
11.优选的，所述馈电电路通过耦合缝隙对高次模平板缝隙天线阵进行激励具体为：所述准平面波导馈电功分网络在输出端口的金属上壁开耦合缝隙实现对高次模平板缝隙天线阵的激励。
12.优选的，所述铜基微同轴-准平面波导过渡结构包括：
13.铜基矩形微同轴内导体与铜基矩形微同轴外导体为输入馈线；
14.双节圆柱馈电探针，由圆柱形接头与同心不同径的金属圆柱垂直相连共同构成，且与所述铜基矩形微同轴内导体通过圆柱形接头相连；
15.准平面矩形波导，通过共用金属层开孔引入的双节圆柱馈电探针激励，实现信号从微同轴到矩形波导的过渡。
16.若干介质支撑条，支撑所述铜基矩形微同轴内导体。
17.优选的，所述馈线外导体在末端平滑过渡为圆柱形腔体，与所述双节圆柱馈电探针的圆柱形接头共同构成圆形同轴线。
18.优选的，所述错位垂直布局交叉耦合毫米波滤波器包括多个利用馈电网络的剩余异形空间错位垂直布局的矩形谐振腔、耦合缝隙、耦合窗口以及若干个释放孔；
19.多个所述矩形谐振腔通过共用金属层实现垂直布局，同时上下布局矩形谐振腔为错位排布。
20.优选的，所述第1矩形谐振腔和第2矩形谐振腔之间的耦合方式为在两个谐振器的共用金属层开矩形缝隙槽进行感性耦合；
21.第2矩形谐振腔和第3矩形谐振腔之间的耦合方式为由两个膜片在两谐振器之间形成耦合窗口，作为两个谐振器之间的感性耦合；
22.第3矩形谐振腔和第4矩形谐振腔之间的耦合方式第1矩形谐振腔和第2矩形谐振腔之间的耦合方式相同；
23.第4矩形谐振腔和第1矩形谐振腔之间的连接方式为两个膜片加载在两谐振腔之间形成耦合窗口，在所述耦合窗口中间放置蘑菇形膜片，作为第4矩形谐振腔和第1矩形谐振腔之间的容性耦合。
24.优选的，所述主耦合的顺序为1-2-3-4，交叉耦合的顺序为1-4。
25.优选的，所述准平面波导馈电功分网络包括n级共2
n-1个h面波导t型结，所述单个h面t型结包括输入端波导、输出端波导、膜片、梯形感性槽以及若干释放孔。
26.优选的，高次模平板缝隙天线阵包括16个缝隙天线单元，所述缝隙天线单元对称等间距排布，包括馈电波导、耦合缝隙、金属腔体以及辐射缝隙。
27.优选的，所述馈电波导为功分网络最后一级t型结的输出端口，通过耦合缝隙实现对所述金属腔体te
201
模式的激励，所述金属腔体由腔体壁分为4个部分，在四个空腔的金属上壁各开一个辐射缝隙，该辐射缝隙在水平方向上紧靠金属腔体的四个角。
28.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
29.1.本发明提出一种铜基微同轴与准平面金属波导的互连集成过渡接口，利用双节
圆柱馈电探针实现了过渡结构良好的模式转换和阻抗匹配，解决了过渡结构复杂度高、损耗高的问题。
30.2.本发明结合三维多层金属结构垂直布局有利条件，设计容性、感性耦合路径引入交叉耦合产生传输零点，提出一种错位排布垂直布局设计的毫米波滤波器，该滤波器在植入有限异形物理空间的同时实现了高选择性、低损耗的优良带通特性。
31.3.本发明通过4级h面t型结设计了一种准平面波导馈电功分网络，所提出的h面t型结加载膜片结构和梯形感性槽结构，改善了功分网络的回波损耗，拓展了功分网络的带宽。
32.4.本发明提出通过耦合缝隙激励金属腔体te
201
模的方法，设计了高次模辐射天线单元，在此基础上，实现了一种高增益、高效率、低剖面的高次模辐射单元天线阵列。
33.5.本发明基于多器件功能协同设计理论与方法，灵活设计毫米波滤波器的错位排布垂直布局以充分利用阵列天线剩余异形空间，不仅实现了高次模辐射单元天线阵列与三维准平面低损耗馈电电路结构一体化设计，还建立了基于铜基微同轴线的毫米波滤波器与高性能天线的功能一体化设计方法与技术。
附图说明
34.图1是本发明滤波功能植入的毫米波平板缝隙阵列天线的总体示意图；
35.图2是本发明中垂直布局交叉耦合毫米波滤波器的示意图；
36.图3是本发明中垂直布局交叉耦合毫米波滤波器的s参数仿真结果；
37.图4是本发明中铜基微同轴与准平面金属波导的互连集成过渡接口的示意图；
38.图5是本发明中铜基微同轴与准平面金属波导的互连集成过渡接口的s参数仿真结果；
39.图6是本发明中h面t型结的示意图与s参数仿真结果；
40.图7是本发明中高次模平板缝隙天线单元的示意图和回波损耗仿真结果；
41.图8是本发明本发明中高次模平板缝隙天线单元的方向图仿真结果；
42.图9是本发明滤波功能植入的毫米波平板缝隙阵列天线的回波损耗；
43.图10是本发明滤波功能植入的毫米波平板缝隙阵列天线的方向图。
具体实施方式
44.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、完整的描述，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，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。
45.在本发明的描述中需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。
46.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，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
47.为了理解和说明，下面详细说明本发明实施例提供的滤波功能植入的毫米波平板缝隙阵列天线。
48.图1(a)为铜基微同轴线-准平面波导过渡结构100图，图1(b)为整体示意图，图1(c)为错位垂直布局交叉耦合毫米波滤波器200图，图1(d)为准平面波导馈电功分网络300图，图1(e)为高次平板缝隙天线阵400图。
49.请参照图1-图10所示，本发明为一种滤波功能植入的平板缝隙阵列天线，该天线阵列包含了铜基微同轴线-准平面波导过渡结构100、错位垂直布局交叉耦合毫米波滤波器200、准平面波导馈电功分网络300以及高次模平板缝隙天线阵400。铜基微同轴线-准平面波导过渡结构100连接错位垂直布局交叉耦合毫米波滤波器200，与准平面波导馈电功分网络300集成实现三维准平面低损耗一体化阵列天线馈电电路，高次平板缝隙天线阵400设置在馈电电路上方，馈电电路通过耦合缝隙激励高次平板缝隙天线阵400。阵列天线及其馈电电路采用化学增材制造技术微纳加工工艺设计。
50.图4(a)为铜基微同轴与准平面金属波导的互连集成过渡接口的示意图，图4(b)为互连集成过渡接口的局部放大图。
51.请参照图1-图10所示，铜基微同轴线-准平面波导过渡结构100包括铜基矩形微同轴外导体101、铜基矩形微同轴内导体102、双节圆柱馈电探针104、105、106、准平面矩形波导107以及若干介质支撑条103。铜基矩形微同轴外导体101和内导体102使用6-10层金属，共同构成过渡结构的50ω输入馈线，矩形波导107使用1-6层金属，铜基矩形微同轴外导体和内导体作为输入馈线在共用金属层开孔引入的馈电探针将电磁波从铜基微同轴线传送到矩形波导。在铜基微同轴外导体和矩形波导外壁周期性开有尺寸相同的若干释放孔108以释放光刻胶，释放孔的尺寸为0.2mm
×
0.2mm
×
0.1mm，支撑条用于支撑内导体。
52.请参照图1-图10所示，铜基矩形微同轴内导体102宽度为0.19mm，高度为0.1mm，内外导体水平间距0.13mm，馈线内导体与双节圆柱馈电探针的圆柱形接头104相连，该接头半径为0.115mm，高度为0.3mm，并且与一个同心不同径的金属圆柱垂直相连共同构成双节圆柱馈电探针105，该金属圆柱半径为0.25mm，高度为0.2mm。通过该双节圆柱馈电探针105，过渡结构可以实现良好的模式转换和平滑的阻抗过渡。馈线外导体在末端平滑过渡为圆柱形腔体，该圆柱形腔体的半径为0.77mm，与双节圆柱馈电探针的圆柱形接头共同构成一段圆形同轴线。矩形波导107的截面宽度为1.75mm，高度为0.4mm，金属外壁的宽度为0.1mm。
53.请参照图1-图10所示，双节圆柱馈电探针105实现了从铜基矩形微同轴线到矩形波导良好的模式转换与阻抗匹配。在92-96ghz的频带内，过渡结构的回波损耗优于23.8db，插入损耗优于0.1068db，中心频率处插入损耗为0.0899db@94ghz。
54.图2(a)为垂直布局交叉耦合毫米波滤波器放大图，图2(b)为矩形谐振腔与耦合缝隙图。
55.请参照图1-图10所示，错位垂直布局交叉耦合毫米波滤波器200包含四个错位垂直布局的矩形谐振腔201、202、203、204、两个耦合缝隙205、206、两个耦合窗口207、208以及若干个释放孔209。矩形波导谐振腔使用铜基微同轴相同的加工工艺，通过移除矩形微同轴的内导体，展宽外导体的横向尺寸，实现了高q值、低损耗、电路集成化能力强的金属波导谐
振腔。第1矩形谐振201与第4矩形谐振腔204使用1-6层金属，高度为定值400um，截面宽度为1.75mm，腔体长度为3.25mm。第2矩形谐振腔202与第3矩形谐振腔203使用6-11层金属，高度为定值400um，截面宽度为1.75mm，腔体长度为3mm。四个谐振腔通过共用第六层金属实现垂直布局，同时上下布局的两个谐振腔为错位排布，错位量为275mm。在谐振腔外壁周期性开有释放孔209以释放光刻胶，释放孔的尺寸为0.2mm
×
0.2mm
×
0.1mm。
56.请参照图1-图10所示，第1矩形谐振腔201和第2矩形谐振腔202之间的耦合方式为在两个谐振腔共用的第6层金属开缝隙槽205进行感性耦合，其中，缝隙槽的长度为1mm，宽度为0.34mm；第2矩形谐振腔202和第3矩形谐振腔203之间的耦合方式为两个膜片在两谐振腔之间形成耦合窗口207，作为两个谐振腔之间的感性耦合，其中，耦合窗口的宽度为0.9mm；第3矩形谐振腔203和第4矩形谐振腔204之间的耦合方式第1矩形谐振腔201和第2矩形谐振腔202之间的耦合方式相同；第4矩形谐振腔204和第1矩形谐振腔201之间的连接方式为两个膜片加载在两谐振腔之间形成耦合窗口208，在耦合窗口中间放置蘑菇形膜片210、211，其中耦合窗口的宽度为0.9mm，蘑菇形膜片由连接谐振腔金属外壁的膜片1，作为第4矩形谐振腔和第1矩形谐振腔之间的容性耦合。主耦合的顺序为1-2-3-4，交叉耦合的顺序为1-4。滤波器通过交叉耦合产生两个传输零点以改善通带的选择性。210以及垂直连接的膜片2，212组成，膜片1的高度为200um，边长为0.2mm
×
0.2mm，膜片2的高度为0.1mm，边长0.775
×
0.45mm。
57.请参照图1-图10所示，错位垂直布局交叉耦合毫米波滤波器中心频率94.05ghz，3db带宽3.76％，工作频率覆盖92.28-95.82ghz，中心频率处插入损耗为0.5377db，在92.56-95.40ghz的范围内回波损耗优于21.3db，90ghz处的带外抑制达36.5db，98ghz处的带外抑制达31.0db。
58.准平面波导馈电功分网络，包括n级共2
n-1个h面波导t型结。单个h面t型结包括输入端波导、输出端波导、膜片、梯形感性槽以及若干释放孔。膜片结构在h面t型结的输入端加载，改善了t型结的回波损耗；梯形感性槽在两输出端口中间的内壁上被引入，进一步展宽了功分器的带宽。
59.图6(a)为h面t型结的示意图，图6(b)为s参数仿真结果图。
60.请参照图1-图10所示，准平面波导馈电功分网络300使用1-6层金属设计，包括4级共15个h面波导t型结301、302、303、304、305、306、307、308、309、310、311、312、313、314、315，单个h面t型结包括输入端波导316、输出端波导317、318、膜片319、320、梯形感性槽321以及若干释放孔。
61.请参照图1-图10所示，h面t型结在其输入端增加了膜片结构319、320，改善了t型结的回波损耗，膜片的宽度为0.052mm，长度为0.3mm。同时，h面t型结在两输出端口中间的内壁上引入了梯形感性槽321，进一步展宽了功分器的带宽，梯形槽的上底长0.08mm，下底长0.43mm，两底间距为0.85mm。
62.请参照图1-图10所示，h面t型结在92-96ghz的范围内回波损耗优于22.7db，幅度不平衡度小于0.1db。
63.请参照图1-图10所示，高次模平板天线阵400使用6-11层金属设计，包括16个2
×
2缝隙天线单元401、402、403、404、405、406、407、408、409、410、411、412、413、414、415、416，缝隙天线单元按照4
×
4对称等间距排布，16个天线单元与准平面波导馈电功分网络的输出
端口一一对应。
64.图7(a)为高次模平板缝隙天线单元的示意图，图7(b)为回波损耗仿真结果图。
65.请参照图1-图10所示，高次模平板缝隙天线单元包括馈电波导417、耦合缝隙418、金属腔体419以及辐射缝隙420、421、422、423。馈电波导417为功分网络最后一级t型结的输出端口，通过耦合缝隙418将磁场能量耦合至金属腔体，且金属腔体由腔体壁分为4个部分，在每一部分的金属上壁开一个辐射缝隙420、421、422、423，进而将电磁波辐射出去。
66.请参照图1-图10所示，耦合缝隙418在第6层金属正对金属腔体中心的位置，其长度为1.75mm，宽度为0.4mm。耦合缝隙处的磁场沿其长边分布，在两侧激励出相同方向的磁场，实现对金属腔体te
201
模式的激励。
67.请参照图1-图10所示，在金属腔体四条边长的中心延伸出两组膜片将空腔分隔为四个部分，其中金属腔体的长度为5.21mm，宽度为3.45mm；沿x轴分布的膜片长度为0.3mm，宽度为0.4mm，y轴分布的膜片长度为1.6mm，宽度为0.4mm。在四个空腔的金属上壁各开一个辐射缝隙420、421、422、423，该辐射缝隙在水平方向上紧靠金属腔体的四个角，能够最大限度切割金属腔体表面电流，更好地实现缝隙天线的强辐射。辐射缝隙的长度为2.29mm，宽度为0.85mm。
68.图8(a)为phi＝0
°
时滤波功能植入的毫米波平板缝隙阵列天线的回波损耗，图8(b)为phi＝90
°
时滤波功能植入的毫米波平板缝隙阵列天线的回波损耗。
69.请参照图1-图10所示，高次模平板缝隙天线单元在90-100ghz的范围内回波损耗优于20db，在天线工作的中心频率94ghz处，单个天线的增益达到了13.56db，phi＝0
°
面主瓣增益13.51db，副瓣增益5.06db；phi＝90
°
面主瓣增益13.51db，副瓣增益2.35db，天线副瓣较低。
70.图10(a)phi＝0
°
时滤波功能植入的毫米波平板缝隙阵列天线的方向图，图10(b)phi＝0
°
时滤波功能植入的毫米波平板缝隙阵列天线的方向图。
71.请参照图1-图10所示，滤波功能植入的毫米波平板缝隙阵列天线在92.36-95.5ghz的频率范围内回波损耗优于10db，并且显示出了良好的频率选择特性。在天线工作的中心频率94ghz处，天线阵的phi＝90
°
平面主瓣增益25.52db，最大副瓣增益9.96db；天线阵的phi＝0
°
平面主瓣增益25.52db，最大副瓣增益9.26db。
72.综上所述，本发明提出一种铜基微同轴与准平面金属波导的互连集成过渡接口，解决了过渡结构复杂度高、损耗高的问题；所设计的错位排布垂直布局设计的毫米波滤波器，在植入有限异形物理空间的同时实现了高选择性、低损耗的优良带通特性；所提出的h面t型结加载膜片结构和梯形感性槽结构，改善了功分网络的回波损耗，拓展了功分网络的带宽；所提出通过耦合缝隙激励金属腔体te
201
模的方法，实现了一种高增益、高效率、低剖面的高次模辐射单元天线阵列；基于多器件功能协同设计理论与方法，灵活设计毫米波滤波器的错位排布垂直布局以充分利用阵列天线剩余异形空间，实现了高次模辐射单元天线阵列与三维准平面低损耗馈电电路结构一体化设计，有利于实现轻量化、高集成度、高性能的毫米波系统。
73.以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。