垂直極化定向印刷濾波天線的製作方法

2023-06-01 23:25:01

專利名稱：垂直極化定向印刷濾波天線的製作方法
垂直極化定向印刷濾波天線技術領域
本發明屬於通信技術應用領域，具體涉及一種垂直極化定向濾波天線。垂直極化定向濾波天線，是將具有垂直極化定向輻射特性的輻射陣列和基片集成波導(Substrate Integrated Waveguide, SIff)濾波器進行聯合設計，濾波天線在保持垂直極化定向輻射特性的同時，可以很好地濾除工作頻帶外雜散信號。
背景技術：
近年來，無線通信技術得到了快速發展，並獲得了廣泛應用。天線是無線通信系統的關鍵部件，其中定向天線具有在某範圍輻射角度內增益高的特點。現代通信系統要求低成本、易製作、易於與其他微波射頻平面電路集成的天線。目前低頻通信已經趨向飽和，於是，高頻段、易製作、易集成的天線成為新的研究熱點之一。
通常，獨立的輻射單元增益較低，如需提高增益，可以採用陣列結構。但是，隨著頻率的提高，比如在Ku波段，複雜的饋電網絡會帶來損耗大、寄生輻射強等問題。
印刷串饋微帶貼片陣列，具有垂直極化定向輻射特性，其結構特點決定它具有良好的交叉極化特性，同時增益和波束寬度都容易控制，可以通過增加貼片數目來提高輻射增益，通過改變背面金屬地寬度來改變波束寬度，以滿足不同應用需求。
SIW作為一種平面電路，具有結構封閉，損耗小、寄生輻射弱的特點，適合高頻段通信系統應用。基於SIW技術的濾波器Q值高、損耗小、易製作、加工精度高，和常用的微帶或者腔體濾波器相比，有著明顯優勢。發明內容
技術問題本發明提出一種垂直極化定向印刷濾波天線，該天線易於製作、加工精度高，在較高頻率，例如Ku波段，尤其適用。
技術方案為解決上述技術問題，本發明提出一種垂直極化定向印刷濾波天線，該濾波天線為三層結構，中間是介質層，介質層正面是上表面金屬層，介質層的背面全部是金屬層，稱為下表面金屬層；垂直極化定向印刷濾波天線為三層結構，中間是介質層，介質層正面是上表面金屬層， 介質層的背面全部是金屬層，稱為下表面金屬層；在上表面金屬層的一端設有微帶線，微帶線通過微帶漸變線和SIW傳輸線相連接；在 SIW傳輸線上，設有由金屬化通孔構成的SIW感性窗口濾波器的耦合窗口和SIW感性窗口濾波器的諧振腔；Siw傳輸線通過漸變型微帶線和串饋微帶貼片陣列連接；串饋微帶貼片陣列的微帶金屬貼片印刷在介質層的正面；相鄰的金屬貼片由金屬連接線連接。
所述的SIW傳輸線由兩排相距一定距離的、位於上表面金屬層與下表面金屬層之間的、穿過介質層的金屬化通孔構成。
所述的SIW傳輸線兩邊金屬化通孔之間的距離是SIW傳輸線寬度。
所述的串饋微帶貼片陣列為輻射部分，金屬貼片印刷在介質層的正面，共4個金屬貼片。
所述的SIW感性窗口濾波器採用SIW三階感性窗口濾波器。
有益效果本發明基於印刷PCB工藝，採用具有垂直極化定向輻射特性的輻射陣列和基於SIW技術的濾波器結構，設計出垂直極化定向印刷濾波天線。SIW感性窗口濾波器和輻射陣列協同工作，只有通過SIW濾波器的信號才能激勵輻射陣列。SIW感性窗口濾波器作為射頻前端濾波器和輻射陣列直接相連，可以避免通用的電纜連接帶來的損耗。
SIff損耗小、寄生輻射極低、呈平面結構、易於採用標準PCB工藝加工，串饋微帶貼片陣列同樣易於採用標準PCB工藝加工。整個垂直極化定向印刷濾波天線易與其他微波射頻電路集成。採用PCB工藝製作的垂直極化定向印刷濾波天線，加工精度高，在高頻段，例如Ku波段，可以有效解決電路尺寸小、製作難的問題，同時加工成本低、易於批量生產。
垂直極化定向印刷濾波天線，可以很好的濾除工作頻帶外雜散信號，有效改善單獨天線的輸入端反射係數，同時保持天線的輻射特性不變。濾波天線具有垂直極化定向輻射特性，垂直極化天線不易產生極化電流，可以有效避免能量衰減，確保信號傳播；定向天線將在特定角度範圍內產生強輻射。
通過改變金屬貼片的數目，可以容易地控制濾波天線的增益；通過改變介質背面金屬地的寬度，可以容易地控制濾波天線的波束寬度。
垂直極化定向印刷濾波天線是一種平面天線，在組成多輸入多輸出(MIMO)陣列時，多個濾波天線可以集成在同一塊介質板上，可以保證整個陣列的一致性。
在高頻段，例如在Ku頻段，由SIW濾波器和串饋印刷微帶貼片構成的垂直極化定向印刷濾波天線，寄生輻射弱、交叉極化特性良好。


圖1為串饋印刷微帶貼片天線上表面金屬層結構示意圖(用於測試比較)； 圖2為垂直極化定向印刷濾波天線上表面金屬層結構示意圖；圖3實施例中工作在14. 4GHz附近的串饋印刷微帶貼片天線和垂直極化定向印刷濾波天線輸入端反射係數測試結果；圖4實施例中14. 4GHz上，垂直極化定向印刷濾波天線E面和H面輻射方向圖測試結果；圖中，1.上表面金屬層，2.徽帶金屬貼片，3.金屬連接線，4.微帶線，5.微帶漸變線， 6.漸變型微帶線，7.金屬化通孔，8. SIW感性窗口濾波器耦合窗口，9. SIW感性窗口濾波器諧振腔。
具體實施方式
下面將參照附圖對本發明進行說明。
本發明中的濾波天線，具有垂直極化定向輻射特性。濾波天線的輻射部分採用串饋微帶貼片陣列，微帶貼片的數目將直接決定濾波天線的輻射增益，微帶貼片數目越多，濾波天線增益越高，串饋微帶貼片陣列具有垂直極化定向輻射特性，並且交叉極化特性良好。 濾波天線的濾波器部分採用SIW感性窗口濾波器。輻射部分和濾波器部分都為平面結構，可以採用標準的PCB工藝製作，易實現、易集成、精度高、成本低，特別在高頻段，例如Ku波段，可以有效解決電路尺寸小、製作難的問題。濾波天線將對工作頻帶外信號具有良好的抑制效果。
具有垂直極化定向輻射特性的印刷濾波天線為三層結構，中間是介質層，正面是上表面金屬層，背面全部是金屬層，外形為長方形；在上表面金屬層的一端連接有微帶線， 微帶線通過微帶漸變線和SIW傳輸線相連接；SIW傳輸線是由兩排相距一定距離(SIW傳輸線寬度)的、上表面金屬層與下表面金屬層之間的、穿過介質層的金屬化通孔構成；在Siw 傳輸線上，設有由金屬化通孔構成的SIW感性窗口濾波器的耦合窗口和SIW感性窗口濾波器的諧振腔；Siw傳輸線通過漸變型微帶線和串饋微帶貼片陣列連接；串饋微帶貼片陣列的金屬貼片印刷在介質板的上表面；相鄰的金屬貼片由金屬連接線連接。
垂直極化定向印刷濾波天線，是將具有垂直極化定向輻射特性的輻射陣列和SIW 濾波器聯合設計、製作在一塊介質基板上。實施例中的濾波天線工作在Ku波段，輻射部分為串饋印刷微帶貼片陣列，金屬貼片印刷在介質板的上表面，共4個金屬貼片，相鄰的金屬貼片通過金屬連接線連接，介質板下表面全部是金屬層；實施例中，濾波器部分採用SIW三階感性窗口濾波器。
圖1中是串饋印刷微帶貼片天線上表面金屬層結構示意圖(用於測試比較)；圖2 中是垂直極化定向印刷濾波天線上表面金屬層結構示意圖。
實施例中，如圖1和圖2中的天線均採用特性阻抗為50歐姆微帶線作為饋電埠。圖1中，50歐姆微帶線輸入埠和金屬貼片之間通過微帶漸變線連接，然後為金屬貼片饋電。圖2中，50歐姆微帶線輸入埠和SIW傳輸線之間通過微帶漸變線連接，SIW傳輸線是由上表面金屬層與下表面金屬層之間的、穿過介質層的金屬化通孔構成；在SIW傳輸線上，有由金屬化通孔構成的SIW感性窗口濾波器的耦合窗口和SIW感性窗口濾波器的諧振腔，SIff傳輸線通過漸變型微帶線和串饋微帶貼片陣列連接。
圖2中的濾波天線具有垂直極化、定向輻射特性。
按照圖1和圖2結構製作了工作在14. 4GHz的串饋印刷微帶貼片天線和垂直極化定向印刷濾波天線。天線採用PCB工藝製作在介質基片上。介質基片採用了厚度為Imm的介電常數為2.55的Taconic (泰康尼克)作為介質板。實施例按以下尺寸在上述基片上製作實施例中工作在14. 4GHz附近的串饋印刷微帶貼片天線微帶線寬度為2. 8mm ；微帶漸變線長度為3. 5mm ；微點漸變線窄端寬度為0. 5mm ；金屬貼片長度為6. 45mm ；金屬貼片寬度為2. 7mm ；金屬連接線長度為7. 45mm ；金屬連接線寬度為0. 5mm。
實施例中工作在14.4GHz附近的垂直極化定向印刷濾波天線微帶線寬度為2. 8mm;微帶漸變線長度為1. 5mm ；微點漸變線寬端寬度為4. 5mm;金屬化通孔直徑為0. 6mm;相鄰金屬化通孔間距為Imm ;SIW感性窗口濾波器的四個耦合窗口寬度分別為5. 36mm, 3. 57mm, 3. 57mm, 5. 36mm ；SIff感性窗口濾波器的三個諧振腔長度為別為 8. 59mm, 9. 44mm, 8. 59mm ；漸變型印刷平行雙線長度為2mm ；漸變型微帶線寬端寬度為2mm ； 漸變型微帶線窄端寬度為0. 5mm ；金屬貼片長度為6. 45mm ；金屬貼片寬度為2. 7mm ；金屬連接線長度為7. 65mm ；金屬連接線寬度為0. 5mm。
圖3為實施例中工作在14. 4GHz附近的串饋印刷微帶貼片天線和垂直極化定向印刷濾波天線輸入端反射係數測試結果，可以看到濾波天線有效濾除了帶外雜散信號；圖4 為實施例中在14. 4GHz上垂直極化定向印刷濾波天線E面和H面輻射方向圖測試結果，結果表明濾波天線有效保持了輻射陣列的輻射特性。
以上所述僅為本發明的較佳實施方式，本發明的保護範圍並不以上述實施方式為限，但凡本領域普通技術人員根據本發明所揭示內容所作的等效修飾或變化，皆應納入權利要求書中記載的保護範圍內。
權利要求
1.一種垂直極化定向印刷濾波天線，其特徵在於該波天線為三層結構，中間是介質層，介質層正面是上表面金屬層(1 )，介質層的背面全部是金屬層，稱為下表面金屬層；在上表面金屬層(1)的一端設有微帶線(4)，微帶線(4)通過微帶漸變線(5 )和SIW傳輸線相連接；在SIW傳輸線上，設有由金屬化通孔(7)構成的SIW感性窗口濾波器的耦合窗口 (8)和SIff感性窗口濾波器的諧振腔(9)；SIW傳輸線通過漸變型微帶線(6)和串饋微帶貼片陣列連接；串饋微帶貼片陣列的微帶金屬貼片(2)印刷在介質層的正面；相鄰的金屬貼片(2)由金屬連接線(3)連接。
2.根據權利要求1所述的垂直極化定向印刷濾波天線，其特徵在於所述的SIW傳輸線由兩排相距一定距離的、位於上表面金屬層(1)與下表面金屬層之間的、穿過介質層的金屬化通孔(7)構成。
3.根據權利要求1或2所述的垂直極化定向印刷濾波天線，其特徵在於所述的SIW傳輸線兩邊金屬化通孔(7)之間的距離是SIW傳輸線寬度。
4.根據權利要求1所述的垂直極化定向印刷濾波天線，其特徵在於所述的串饋微帶貼片陣列為輻射部分，金屬貼片(2)印刷在介質層的正面，共4個金屬貼片。
5.根據權利要求1所述的垂直極化定向印刷濾波天線，其特徵在於所述的SIW感性窗口濾波器採用SIW三階感性窗口濾波器。
全文摘要
本發明涉及一種垂直極化定向印刷濾波天線，該波天線為三層結構，中間是介質層，介質層正面是上表面金屬層(1)，介質層的背面全部是金屬層，稱為下表面金屬層；在上表面金屬層(1)的一端連接有微帶線(4)，微帶線(4)通過微帶漸變線(5)和SIW傳輸線相連接；在SIW傳輸線上，設有由金屬化通孔(7)構成的SIW感性窗口濾波器的耦合窗(8)口和SIW感性窗口濾波器的諧振腔(9)；SIW傳輸線通過漸變型微帶線(6)和串饋微帶貼片陣列連接，串饋微帶貼片陣列是由金屬連接線(3)為金屬貼片(2)饋電構成。該天線易於製作、加工精度高，在較高頻率，例如Ku波段，尤其適用。
文檔編號H01Q21/00GK102522627SQ20111040656
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月9日 優先權日2011年12月9日
發明者餘晨, 洪偉, 蒯振起 申請人:東南大學