一种毫米波滤波天线及基于寄生短路贴片的滤波天线阵列

本发明属于电子领域，特别涉及一种毫米波滤波天线及基于寄生短路贴片共用技术的滤波天线阵列。

背景技术：

1、毫米波通信不仅解决了当前sub-6ghz无线通信系统中频谱资源紧张的问题，而且使得超高速率的无线通信技术成为可能，近些年来，在未来移动通信、卫星领域、车载雷达等方面受到了广泛的关注。在未来移动通信应用方面，2017年7月10日起，第三代合作伙伴(3gpp)将24.25-29.5ghz频段(n257/n258/n261频段)分配给毫米波通信，可以说，毫米波天线具有广泛的应用场景。

2、滤波天线作为一种集成滤波器功能的天线，可以在接收或发射电磁波的同时对特定频率范围内的信号进行滤波处理。相比于滤波器和天线级联，因为取消了天线和滤波器之间的匹配网络而有效减小了系统的尺寸，从而实现更低的损耗和成本。伴随着通信设备小型化、集成化和多功能化，毫米波滤波天线成为了天线设计领域的一个研究热点，具有广泛的发展前景。

3、对于毫米波滤波天线，越来越多的专家、学者、工程师已经开展了广泛的研究，目前公开文献所涉及到的天线结构主要分为两大类：1、将天线辐射单元取代带通滤波结构的最后一级结构以实现滤波结构；2、通过加入槽缝、短路探针、寄生贴片、微带枝节等特殊结构实现带外零点以形成滤波功能。由于毫米波空间传输损耗较大，因此需要高增益窄波束天线来使得通信系统获得更远的传输距离，并且同时通过波束扫描技术来增大覆盖范围。因而，具有波束扫描能力的毫米波相控阵系统得到了广泛的应用。对于相控阵系统，控制阵列单元的间隔有助于实现要想实现更大的扫描范围。此外，在形成滤波天线阵列时，辐射层增加寄生贴片以实现滤波性能的方法会造成电磁场在空间相互耦合而造成零点消失。因此，寄生贴片的设计以及组阵的方式必须谨慎考虑。目前来看，在滤波天线领域，还没有通过单元之间部分结构共用以减小阵列尺寸的相关设计。

技术实现思路

1、技术问题：本发明的目的，在于提供一种毫米波滤波天线及基于寄生短路贴片的滤波天线阵列，其可以在毫米波频段有效滤波，并实现宽工作范围、高增益和高频率选择性等功能；所提出的寄生短路贴片共用技术可以在更为紧凑的结构空间内保持滤波天线良好带外抑制水平并获得更高的天线增益，易于与射频前端电路集成。

2、技术方案：为了达到上述目的，本发明的一种毫米波滤波天线单元通过以下技术方案来实现：

3、该天线单元采用多层印制电路板实现，层次结构上包含两层介质基片，三层金属层，一个粘贴介质层；从上至下分别为顶部金属层、第一层介质基片、中间金属层、粘贴介质层、第二层介质基片、底部金属层；所述中间金属层和第二层介质基片通过粘贴介质层连接，其中，在中间金属层上有三个关于x轴对称的长方形槽缝，寄生短路贴片金属通孔位于第一层介质基片中，连接顶部金属层和中间金属层；顶部金属层为天线的辐射层，由4个辐射贴片、一个十字型阶梯枝节和8个对称分布的寄生短路贴片片组成毫米波滤波天线单元。

4、所述4个辐射贴片为电偶极子，该电偶极子和辐射贴片金属通孔以及中间金属层构成磁电偶极子。

5、所述4个辐射贴片，每一个辐射贴片的内角上设有3个辐射贴片金属通孔。

6、所述寄生短路贴片包括4个x轴对称寄生短路贴片和4个y轴对称寄生短路贴片，二者分别关于x、y轴对称，分别通过寄生短路贴片金属通孔组成的外围金属通孔与中间金属层相连。

7、所述的4个辐射贴片呈对称分布，其中心设有十字型阶梯枝节，位于顶部金属层正中央并且中心对称。

8、所述的十字型阶梯枝节为中间宽，两头窄。

9、所述的底部金属层为天线的馈电枝节，由一个长方形枝节和2个关于x轴对称的c型枝节组成；2个c型枝节位于长方形枝节两侧；信号从底部金属层的输入端口输入后，通过中间金属层的长方形槽和金属通孔传递至顶部金属层，从而实现能量的有效辐射。

10、本发明的一种毫米波滤波天线阵列包括在一个平面上2×2放置的4个毫米波滤波天线单元和一分四微带功分器；一分四微带功分器的四个输出端口连接4个毫米波滤波天线单元的底部金属层的输入端，共同组成天线阵列的馈电网络。

11、所述的一分四微带功分器由三个一分二功率分配器组成，在微带线弯角或一分二结构处开有三角形槽以减小微带线不连续带来的能量反射，微带线采用锥型结构以拓宽工作频带。

12、所述的四个毫米波滤波天线单元相互临近的寄生短路贴片完全重合，以达到寄生短路贴片共用的效果。

13、磁电偶极子天然的高通特性首先形成滤波天线的一个低频辐射零点，而2个c型枝节引入一个新的传输零点，以扩大低频处带外抑制频率范围；长方形槽缝等效为低通滤波器从而产生一个高频辐射零点。x轴对称寄生短路贴片、y轴对称寄生短路贴片等效为一个宽带带通滤波器，以增强上下频带的带外抑制。十字型阶梯枝节在工作频带内引入两个谐振点，拓宽天线工作频带的同时提高了滤波天线频率边缘的选择性。

14、有益效果：本发明具有以下特点和有益效果：

15、第一，所述的滤波天线在没有引入额外插入损耗的前提下，通过在磁电偶极子天线上增加特殊结构，22.5-31.5ghz的宽频带范围内实现了良好的准椭圆滤波性能，适用于毫米波应用通信场景；

16、第二，为了验证贴片共用以减小单元间距，并通过波束扫描技术来增大覆盖范围，为高增益窄波束毫米波相控阵设计提供新的思路，提出了基于寄生短路贴片共用技术的滤波天线阵列设计方案，实物测试论证了方案的可行性。这种方法可以在更为紧凑的结构空间内保持滤波天线良好带外抑制水平并获得更高的天线增益，为小型化高增益滤波天线及大扫描范围相控阵系统的设计提供了一定思路。

技术特征：

1.一种毫米波滤波天线单元，其特征在于：该天线单元采用多层印制电路板实现，层次结构上包含两层介质基片，三层金属层，一个粘贴介质层；从上至下分别为顶部金属层(5)、第一层介质基片(1)、中间金属层(2)、粘贴介质层(3)、第二层介质基片(4)、底部金属层(8)；所述中间金属层(2)和第二层介质基片(4)通过粘贴介质层(3)连接，其中，在中间金属层(2)上有三个关于x轴对称的长方形槽缝(7)，寄生短路贴片金属通孔(6)位于第一层介质基片(1)中，连接顶部金属层(5)和中间金属层(2)；顶部金属层(5)为天线的辐射层，由4个辐射贴片(11)、一个十字型阶梯枝节(12)和8个对称分布的寄生短路贴片(18)片组成毫米波滤波天线单元(17)。

2.如权利要求1所述的毫米波滤波天线单元，其特征在于：所述4个辐射贴片(11)为电偶极子，该电偶极子和辐射贴片金属通孔(15)以及中间金属层(2)构成磁电偶极子。

3.如权利要求1所述的毫米波滤波天线单元，其特征在于：所述4个辐射贴片(11)，每一个辐射贴片的内角上设有3个辐射贴片金属通孔(15)。

4.如权利要求1所述的毫米波滤波天线单元，其特征在于：所述寄生短路贴片包括4个x轴对称寄生短路贴片(13)和4个y轴对称寄生短路贴片(14)，二者分别关于x、y轴对称，分别通过寄生短路贴片金属通孔(6)组成的外围金属通孔(16)与中间金属层(2)相连。

5.如权利要求1所述的毫米波滤波天线单元，其特征在于：所述的4个辐射贴片(11)呈对称分布，其中心设有十字型阶梯枝节(12)，位于顶部金属层正中央并且中心对称。

6.如权利要求5所述的毫米波滤波天线单元，其特征在于：所述的十字型阶梯枝节(12)为中间宽，两头窄。

7.如权利要求1所述的毫米波滤波天线单元，其特征在于：所述的底部金属层(8)为天线的馈电枝节，由一个长方形枝节(9)和2个关于x轴对称的c型枝节(10)组成；2个c型枝节(10)位于长方形枝节(9)两侧；信号从底部金属层(8)的输入端口输入后，通过中间金属层(2)的长方形槽(7)和金属通孔(6)传递至顶部金属层(5)，从而实现能量的有效辐射。

8.一种如权利要求1所述的毫米波滤波天线单元构成的毫米波滤波天线阵列，其特征在于：所述的毫米波滤波天线阵列包括在一个平面上2×2放置的4个毫米波滤波天线单元(17)和一分四微带功分器(20)；一分四微带功分器(20)的四个输出端口连接4个毫米波滤波天线单元(17)的底部金属层(8)的输入端，共同组成天线阵列的馈电网络(19)。

9.如权利要求8所述的毫米波滤波天线阵列，其特征在于：所述的一分四微带功分器(20)由三个一分二功率分配器(21)组成，在微带线弯角或一分二结构处开有三角形槽(22)以减小微带线不连续带来的能量反射，微带线(23)采用锥型结构以拓宽工作频带。

10.如权利要求8所述的毫米波滤波天线阵列，其特征在于：所述的四个毫米波滤波天线单元(17)相互临近的寄生短路贴片(18)完全重合，以达到寄生短路贴片共用的效果。

技术总结
本发明公开了一种毫米波滤波天线及基于寄生短路贴片的滤波天线阵列，该天线单元采用多层印制电路板实现，层次结构上包含两层介质基片，三层金属层，一个粘贴介质层；从上至下分别为顶部金属层(5)、第一层介质基片(1)、中间金属层(2)、粘贴介质层(3)、第二层介质基片(4)、底部金属层(8)；基于上述结构，提出了一种基于寄生短路贴片共用技术的滤波天线阵列设计方案。这种方法可以在更为紧凑的结构空间内保持滤波天线良好带外抑制水平并获得更高的天线增益，为小型化高增益滤波天线及宽角扫描相控阵天线的设计提供了一定思路。

技术研发人员：徐俊,王越超,陈凯,吴紫佳,洪伟
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16