基于FSS的平面集成毫米波滤波喇叭天线制造技术

本发明专利技术公开一种基于FSS的平面集成毫米波滤波喇叭天线。本发明专利技术由辐射结构、馈电结构和频率选择表面三个组成部分：底层的基片集成波导背腔贴片作为波形和阻抗变换器来激励位于中间层的阶梯波导喇叭，阶梯波导喇叭用于通过增加辐射孔径来提高天线元件的增益，在喇叭口径处覆盖的频率选择表面以及位于馈电层地板的缺陷地结构实现滤波性能，由这三部分组成的天线具有带通滤波器和喇叭天线的功能。该滤波天线的增益曲线具有带内平坦，带外抑制明显，边缘选择性好等特点。可应用于5G毫米波通信的射频前端平面集成模块。射频前端平面集成模块。射频前端平面集成模块。

【技术实现步骤摘要】
基于FSS的平面集成毫米波滤波喇叭天线


[0001]本专利技术涉及一种天线结构，尤其涉及一种基于FSS的平面集成毫米波滤波喇叭天线结构。

技术介绍

[0002]5G通信作为如今通信领域的一个研究热点，已经引起了国内外研究学者的广泛关注。毫米波技术可以通过提升频谱带宽实现超高速无线数据传输，从而成为5G通信的关键技术之一。在毫米波频段，低功耗、高集成度、多功能一体化设计成为无线传输系统的一种发展趋势。作为射频前端的两个重要组成部分，滤波器和天线通常是独立设计，然后通过额外的传输线级联来实现的，这不仅增加了系统的体积，还可能由于引入互连造成失配和额外的插入损耗，从而降低带内性能。滤波天线是将天线和滤波器有效地集成到一个模块中的器件，它能同时实现滤波和辐射功能，多功能一体化的设计可实现小型化和低损耗性能。
[0003]随着移动通信技术的发展，无线通信系统面临越来越复杂的电磁干扰问题。频率选择表面(FSS)作为一种空间滤波器，通常可作为天线罩应用于天线设计中，提高天线的抗干扰能力，并对天线进行物理保护。但目前FSS作为天线罩的设计，往往与天线设计独立开展，这就增加了设计的难度和复杂度，也不利于射频前端的集成化设计。
[0004]本专利技术基于FSS的滤波特性，将其与平面集成喇叭天线一体化设计，实现了具有滤波特性的毫米波喇叭天线。在此基础上，结合缺陷地结构，优化该滤波喇叭天线的滤波特性，最终实现了结构简单、滤波及辐射性能优异的集FSS、滤波、天线于一体的可应用于5G毫米波通信的射频前端平面集成模块。
专利
技术实现思路

[0005]针对现在很少有关于天线和FSS集成设计的论文以及毫米波技术应用的热点，本专利技术提出了一种工作在24.25GHz～26.7GHz频段的基于FSS的平面集成毫米波滤波喇叭天线。在实现滤波功能以及辐射功能之外，还运用了基片集成波导技术让天线小型化，集成化。该结构在通带内具有平坦的增益曲线，边缘选择性好。
[0006]实现本专利技术目的的技术解决方案为：
[0007]基于FSS的平面集成毫米波滤波喇叭天线包括频率选择表面F、阶梯波导喇叭W、基片集成波导背腔贴片R。
[0008]频率选择表面由4*5周期性阵列分布的单元构成，每个单元从上至下依次包括金属贴片P1、介质板S1、金属网栅G1、介质板S2、金属贴片P2。
[0009]作为优选，频率选择表面的单元形状不局限于正六边形，可以是方形、圆形等，其形状与尺寸影响滤波性能以及阻抗匹配。
[0010]作为优选，金属贴片P1、金属贴片P2尺寸相同，介质板S1、S2材质和尺寸相同。
[0011]阶梯波导喇叭W为在铝块内挖出的喇叭状通孔；该喇叭状通孔的截面为阶梯状；阶梯波导喇叭W的较大开口置于频率选择表面金属贴片P2的下方；阶梯波导喇叭W的较大开口
口径大小与频率选择表面一致。
[0012]作为优选，阶梯波导喇叭的阶梯层数为两层或两层以上，其层数以及每层的高度影响天线的阻抗匹配以及辐射增益。
[0013]作为优选，介质板S3的上表面开挖有方形槽V1，下表面刻有一组缺陷地结构；方形槽V1与缺陷地结构错开设置；
[0014]方形槽V1内铺设孔径耦合贴片P3，孔径耦合贴片P3与方形槽V1的四壁留有一定距离；
[0015]所述的缺陷地结构由两列尺寸不同的互补开口谐振环阵列构成。两列互补开口谐振环阵列上的互补开口谐振环一一对应。
[0016]较大尺寸的互补开口谐振环阵列由三个尺寸不同的互补开口谐振环构成，且三个互补开口谐振环长度满足中间值与最大值和最小值的差值均为0.002λ
g
‑
0.1λ
g
；其中λ
g
为中心频率在介质基板中的工作波长。
[0017]较小尺寸的互补开口谐振环阵列由三个尺寸相同的互补开口谐振环构成；
[0018]作为优选，两列互补开口谐振环阵列上互补开口谐振环D1与D2的尺寸影响增益零点产生的频率以及天线的工作带宽。
[0019]方形槽V1除靠近缺陷地结构侧外其余外周设有周期性分布、贯穿介质板S3的金属柱M3；
[0020]方形槽V1与缺陷地结构间设有两个贯穿介质板S3的金属柱M2，用于调节阻抗匹配；
[0021]缺陷地结构两侧设有周期性分布、贯穿介质板S3的金属柱M1；
[0022]由介质板S3、金属柱M1、金属柱M3构成基片集成波导背腔贴片R；其中金属柱M1构成了基片集成波导，金属柱M3则围成了一个基片集成波导腔。
[0023]作为优选，孔径耦合贴片P3的宽度影响天线的工作频率。
[0024]作为优选，缺陷地结构位于由金属柱M1组成的基片集成波导的中间。
[0025]作为优选，每列互补开口谐振环阵列上相邻两个互补开口谐振环间距相同。
[0026]作为优选，孔径耦合贴片P3的中心与阶梯波导喇叭的喇叭口(即较小开口)中心重合。
[0027]下面将本专利技术所述天线的原理进行详细说明。
[0028]信号通过由金属柱M1围成的基片集成波导后进入由金属柱M3围成的基片集成波导腔，由腔上方所挖方形槽V1内的孔径耦合贴片P3辐射出能量来激励位于中间层的阶梯波导喇叭W，而阶梯波导喇叭用于通过增加辐射孔径来提高天线单元的增益。最后能量经过与喇叭口贴合的频率选择表面F将带外的信号滤除，同时将带内所需的信号传输出去。此外，为了加强带外抑制的效果，在馈电层的基片集成波导部分还引入了一组缺陷地结构，由互补开口谐振环D1与D2组成。D1可以提供低频辐射零点，D2可以提供高频辐射零点，其余的辐射零点均由频率选择表面产生。当缺陷地提供的辐射零点与频率选择表面提供的辐射零点相互靠近后，则可以给上频带边缘和下频带边缘提供了一个急剧的滚降率。通过调节D1(D11、D12、D13)以及D2的尺寸大小，使得其产生的四个零点与FSS所产生的零点在带外形成互补之势，这样可以得到更好的带外抑制效果。
[0029]D11，D12，D13三者长度L呈阶梯型上升，但不限于谁大谁小，可任意排列。这里以
D12在中间为例，若D12的长度L_dgs为0.2λ
g
，要使得在低频处的带外抑制相对均匀的话，那么D11跟D13的长度L_dgs3、L_dgs4必须为0.2λ
g
±
0.1λ
g
。
[0030]其中金属柱M2的间距以及孔径耦合贴片P3的宽度可以优化滤波天线的阻抗匹配特性。每列互补开口谐振环D1与D2的长度决定了所提供辐射零点的频率，其宽度、缺口长度、单元之间的间距则决定了滤波效果的好坏。频率选择表面的单元长度、金属贴片层槽宽以及金属网栅层槽宽则调节着另外几个辐射零点的的滤波性能。这种滤波方式不需要额外的传输线级联，从而实现整体结构的小型化，集成化，多功能化。
[0031]本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：
[0032]1.本专利技术把FSS跟天线一体化设计，并且利用FSS的滤波特性，实现了本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于FSS的平面集成毫米波滤波喇叭天线，其特征在于基于FSS的平面集成毫米波滤波喇叭天线包括频率选择表面F、阶梯波导喇叭W、基片集成波导背腔贴片R；频率选择表面由周期性阵列分布的单元构成，每个单元从上至下依次包括金属贴片P1、介质板S1、金属网栅G1、介质板S2、金属贴片P2；阶梯波导喇叭W为在铝块内挖出的喇叭状通孔；该喇叭状通孔的截面为阶梯状；阶梯波导喇叭W的较大开口置于频率选择表面金属贴片P2的下方；介质板S3的上表面开挖有方形槽V1，下表面刻有一组缺陷地结构；方形槽V1与缺陷地结构错开设置；方形槽V1内铺设孔径耦合贴片P3，孔径耦合贴片P3与方形槽V1的四壁留有一定距离；所述的缺陷地结构由两列尺寸不同的互补开环谐振环阵列构成；两列互补开环谐振环阵列上的互补开环谐振环一一对应；较大尺寸的互补开环谐振环阵列由三个尺寸不同的互补开环谐振环阵列构成，且三个互补开环谐振环长度满足中间值与最大值和最小值的差值均为0.001λ0‑
0.05λ0；较小尺寸的互补开环谐振环阵列由三个尺寸相同的互补开环谐振环阵列构成；除靠近缺陷地结构侧外，方形槽V1其余外周设有周期性分布、贯穿介质板S3的金属柱M3；方形槽V1与缺陷地结构间设有两个贯穿介质板S3的金属柱M2，用于调节阻抗匹配；缺陷地结构两侧设有周期性分布、贯穿介质板S3的金属柱M1；由介质板S3、金属柱M1、金属柱M3构成基片集成波导背腔贴片R；其中金属柱M1构成了基片集成波导，金属柱M3则围成了一个基片集成波导腔。2.根据权利要求1所述的基于FSS的平面集成毫米波滤波喇叭天线，其特征在于阶梯波导喇叭的阶梯层数为两层或两层以上，其层数以及每层的高度影响天线的阻抗匹配以及辐射增益。3.根据权利要求1所述的基于FSS的平面集成毫米波滤波喇叭天线，其特征在于两列互补开环谐振环阵列上互补开环谐振环D1与D2的尺寸影响增益零点产生的频率以及天线的工作带宽。4.根据权利要求1所述的基于FSS的平面集成毫米波滤波喇叭天线，其特征在于孔径耦合贴片P3的宽度影响天线的工作频率。5.根据权利要求1所述的基于FSS的平面集成毫米波滤波喇叭天线，其特征在于缺陷地结构位于由金属柱M1组成的基片集成波导的中间。6.根据权利要求1所述的基于FSS的平面集成毫米波滤波喇叭天线，其特征在于每列互补开环谐振环阵列上相邻两个互补开环谐振环间距相同。7.根据权利要求1所述的基于FSS的平面集成毫米波滤波喇叭天线，其特征在于孔径耦合贴片P3的中心与阶梯波导喇叭的喇叭口中心重合。8.根据权利要求1所述的基于FSS的平面集成毫米波滤波喇叭天线，其特征在于阶梯波导喇叭W的较大开口口径大小与频率选择表面一致。9.根据权利要求1所述的基于FSS的平面集成毫米波滤波喇叭天线，其特征在于介质板S3的长度L1为1.88λ
g
～2.82λ
g
，宽度W1为1.88λ
g
～2.82λ
g
，高度H1为0.24λ
g
；金属柱M2间距W_w1为0.32λ
g
～0.81λ
g
，方形槽V1的长度L_a1为0.3λ
g
～0.55λ
g
，宽度W_a1为0.66λ
g
～1.11λ
g
，
其外围的基片集成波导腔长度L_c1为0.47λ
g
～0.71λ
g
，宽度W_c1为0.88λ
g
～1.41λ
g
；孔径耦合贴片P3的长度L_p1为0.4λ
g
～0.64λ
g
，宽度W_p1为0.24λ

【专利技术属性】
技术研发人员：金华燕，周乐凯，罗国清，俞伟良，范奎奎，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：