一种基于基片集成波导滤波的毫米波双极化滤波天线阵列

本发明属于天线设计，尤其涉及一种基于基片集成波导滤波的毫米波双极化滤波天线阵列结构。

背景技术：

1、近年来，5g通信技术快速发展，极大地提高了数据传输速率。但是由于传统的微波频段的频谱资源匮乏，不能适应未来更高速更大容量传输的要求，拥有丰富频谱资源的毫米波频段逐渐受到了国内外学者的广泛关注。同时，为了减少射频前端部分的尺寸和损耗，滤波天线也被广泛关注。

2、但滤波天线的传统设计方式难以在毫米波频段使用，由于毫米波的波长较短，传统的微带线设计的滤波天线的损耗过大，因此有着高品质因素，低损耗等优势的基片集成波导技术被广泛研究，但通常基于基片集成波导的滤波天线都需要额外的滤波器设计，由于尺寸较大，不容易集成在5g系统中。

3、本发明提出了在基片集成波导腔的高阶模模式下，利用腔体的对称性实现了双极化工作，形成具有滤波特性的2×2双极化背腔贴片天线子阵列，同时在用于馈电的基片集成波导中引入传输零点，提高滤波效果，再通过结构设计将四个子阵列组成了一个4×4的背腔贴片天线阵列。最终实现了具有高集成度，高隔离度，高增益，带外滤波等特性，工作在毫米波频段的双极化滤波天线阵列。

技术实现思路

1、本发明的目的是提升当前毫米波天线的功能，集成了滤波功能，双极化功能，提出了一种两个端口分别工作在25.45ghz～29.74ghz和25.21ghz～29.88ghz的毫米波双极化滤波天线阵列，采用基片集成波导背腔贴片天线上的电磁混合耦合实现高频部分滤波，通过馈电部分实现低频部分滤波。除此之外，通过利用腔体高阶模激励子阵，简化了阵列的复杂度。同时馈电网络采用了分层馈电的方式，使子阵之间的相位更为对称。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：

3、基于基片集成波导的毫米波双极化滤波天线阵列包括：

4、4×4背腔贴片天线阵列f；

5、基片集成波导馈电网络n；

6、基片集成波导馈电腔体m；

7、其中：

8、所述4×4背腔贴片天线阵列f包括四个中心对称的2×2背腔贴片天线子阵单元，相邻2×2背腔贴片天线子阵单元之间紧贴。

9、每个2×2背腔贴片天线子阵单元从上至下依次包括第一金属贴片p1、第一介质板s1、第三金属贴片p3、以及贯穿第一介质板s1的若干第一金属柱m1；每个2×2背腔贴片天线子阵单元内所述若干第一金属柱m1、第一金属贴片p1、第三金属贴片p3围成了一个由四个相互紧贴、大小相同方形腔体组合成的正方形基片集成波导腔体，腔体中心处留有传导窗口且无第一金属柱m1设置。

10、每个正方形基片集成波导腔体内，所述第一金属贴片p1上蚀刻呈2×2分布的四个方形槽v1，每个方形槽v1内均铺设第二金属贴片p2，所述第二金属贴片p2与方形槽v1留有间隙。每个方形槽v1四条边外侧各自蚀刻有一条矩形缝隙v2；相邻矩形缝隙v2间不接触。

11、每个正方形基片集成波导腔体内，所述第三金属贴片p3在所述传导窗口中心位置蚀刻有一个十字形耦合缝隙v3，用于向腔体内耦合信号。所述十字形耦合缝隙v3与所述第一金属柱m1不接触。

12、作为优选，所述每个正方形基片集成波导腔体内，所述方形槽v1的中心与其内铺设第二金属贴片p2的中心重合。

13、作为优选，相邻正方形基片集成波导腔体共用部分第一金属柱m1。

14、所述基片集成波导馈电腔体m包括2×2馈电腔体单元，每个馈电腔体单元包括上下层基片集成波导馈电腔体；

15、上层基片集成波导馈电腔体包括两个不接触的上层馈电腔体；每个上层馈电腔体由两个连通的上层腔体单元构成；每个上层腔体单元均由第三金属贴片p3、第二介质板s2、第四金属贴片p4、贯穿第二介质板s2的若干第六金属柱m6围合而成。一个2×2背腔贴片天线子阵单元内位于介质基板宽度方向的两个十字形耦合缝隙v3落在第二介质板s2的投影分别位于同一个上层馈电腔体的两个上层腔体单元内。

16、所述第四金属贴片p4的两个上层馈电腔体中心位置蚀刻有矩形缝隙v6，用于接收下层基片集成波导馈电网络传输的信号；所述矩形缝隙v6沿着介质基板长度方向。

17、每个上层腔体单元内设有贯穿第二介质板s2的四根第二金属柱m2，所述第二金属柱m2用于引入低频传输零点以及调节阻抗匹配；所述四根第二金属柱m2关于十字形耦合缝隙v3中心呈中心对称设置；

18、下层基片集成波导馈电腔体包括两个不接触的下层馈电腔体；每个下层馈电腔体由两个连通的下层腔体单元构成；每个下层腔体单元均由第四金属贴片p4、第三介质板s3、凹形金属贴片p5、贯穿介质板s3的若干第七金属柱m7围合而成；一个2×2背腔贴片天线子阵单元内位于介质基板长度方向的两个十字形耦合缝隙v3落在第三介质板s3的投影分别位于同一个下层馈电腔体的两个下层腔体单元内；

19、所述第四金属贴片p4的四个下层腔体单元内各自蚀刻有耦合缝隙v4；所述耦合缝隙v4为沿介质基板宽度方向的直线型结构；所述耦合缝隙v4与十字形耦合缝隙v3中沿介质基板宽度方向缝隙落在同一个下层腔体单元的投影重合；

20、每个下层腔体单元内在耦合缝隙v3的两侧均设有贯穿第三介质板s3的两根第三金属柱m3，用于引入低频传输零点以及调节阻抗匹配。位于耦合缝隙v3同侧的两根第三金属柱m3所在直线沿着介质基板宽度方向。

21、所述基片集成波导馈电网络n包括2×2馈电网络单元，每个馈电网络单元包括上下层基片集成波导；

22、上层基片集成波导由第三金属贴片p3、第二介质板s2、第四金属贴片p4、贯穿第二介质板s2的若干第四金属柱m4围合而成；所述上层基片集成波导包围其中一个上层馈电腔体，另一个上层馈电腔体位于所述上层基片集成波导外侧；所述上层基片集成波导为c型结构，其开口朝向另一个上层馈电腔体。所述上层基片集成波导与另一个上层馈电腔体不接触。

23、作为优选，被包围的上层馈电腔体与所述上层基片集成波导共用部分金属柱。

24、作为优选，上层基片集成波导内部设有第八金属柱m8，用于调节传输结构的阻抗匹配。

25、下层基片集成波导由第四金属贴片p4、第三介质板s3、凹形金属贴片p5、贯穿介质板s3的若干第五金属柱m5围合而成；所述下层基片集成波导位于两个下层馈电腔体之间。

26、作为优选，下层基片集成波导内部设有第九金属柱m9，用于调节传输结构的阻抗匹配。

27、所述上层基片集成波导内部位置开有一个用于引入探针馈电的通孔q1；

28、作为优选，所述第三介质板s3非金属柱m4、m5区域开有槽，所述通孔q1位于所述第三介质板s3的投影位于槽内。

29、所述下层基片集成波导内部位置开有一个用于引入探针馈电的通孔q2。

30、所述第四金属贴片p4的下层基片集成波导内蚀刻有两条矩形缝隙v6，用于传输两层基片集成波导之间的信号。所述矩形缝隙v6为沿介质基板长度方向的直线型结构。

31、所述第四金属贴片p4的两个下层馈电腔体中心位置各自蚀刻有一条矩形缝隙v5，且所述矩形缝隙v5位于所述基片集成波导馈电网络n的上层基片集成波导内，用于接收基片集成波导馈电网络n的上层基片集成波导传输的信号。所述矩形缝隙v5为沿介质基板宽度方向的直线型结构。

32、下面将本发明所述天线的原理进行详细说明。

33、天线工作在垂直极化时，信号从通孔q1处馈入到第四金属柱m4围合而成的上层基片集成波导中，传输至波导尽头处通过矩形缝隙v5将信号馈入到下层馈电腔体中，再通过下层馈电腔体传输到耦合缝隙v4处，由耦合缝隙v4和十字形耦合缝隙v3激励上方2×2背腔贴片天线子阵单元，最后由2×2背腔贴片天线子阵单元的方形槽v1和第二金属贴片p2共同向外辐射信号。

34、天线工作在水平极化时，信号从通孔q2处馈入到第五金属柱m5围合而成的下层基片集成波导中，传输至波导尽头处通过矩形缝隙v6将信号馈入到上层馈电腔体中，再通过上层馈电腔体传输到耦合缝隙v3处，由十字形耦合缝隙v3激励上方2×2背腔贴片天线子阵单元，最后由2×2背腔贴片天线子阵单元的方形槽v1和第二金属贴片p2共同向外辐射信号。

35、天线利用2×2背腔贴片天线子阵单元的对称特性实现双极化功能，同时在天线方形槽v1周围添加了四条矩形缝隙v2与第二金属贴片p2之间产生了额外的电磁混合耦合通路在高频部分多产生了一个辐射零点，提升了滤波特性。此外为了使天线阵列结构紧凑在馈电网络的设计上使用了层间交错的结构，利用矩形缝隙v5，矩形缝隙v6实现每个馈电腔体中的两个腔体单元间的180°相位差，这使得馈电网络结构紧凑的同时还有更加稳定的相位差。此外在每个腔体单元内分别沿耦合缝隙v3和耦合缝隙v4的宽度和长度方向前后均放置了两根第二金属柱m2和第三金属柱m3，靠近腔体尽头方向的两根金属柱引入了传输零点，同时在耦合缝隙v3和耦合缝隙v4另一方向上的两根金属柱用于调节阻抗匹配，同时四根金属柱共同形成了一个子腔，在天线频带内额外产生了一个谐振点，增大了天线的带宽。

36、本发明与现有技术相比，其显著优点为：

37、1.本发明利用了缝隙两端相位相反的特点，在馈电网络上使用错层馈电使结构更为紧凑的同时有更稳定的相位差。

38、2.本发明利用背腔贴片天线存在电磁混合耦合的特性，通过引入额外的电磁混合耦合路径提升滤波特性。

39、3.本发明利用缝隙到短路壁距离四分之一波长产生传输零点的原理，在馈电腔体内部通过放置金属柱进行等效，实现下边带滤波，同时金属柱形成子腔，产生额外谐振点，获得更大带宽。