基于金属过孔加载TCDA的宽角度扫描超宽带滤波天线

基于金属过孔加载tcda的宽角度扫描超宽带滤波天线
技术领域
1.本发明属于滤波天线技术领域，具体涉及基于金属过孔加载紧耦合偶极子(tightly coupled dipole array，tcda)的宽角度扫描超宽带滤波天线。


背景技术：

2.随着无线通信系统的发展，高集成、低功耗和多功能是未来的发展趋势。滤波器和天线作为射频前端的两个主要元件，其接受所需信号并且抑制不需要的信号。通常滤波器和天线是作为两个独立的元件进行设计，然后通过传输线进行级联，这种设计方法会增大系统的结构体积，另外在器件连接处会引入额外的插入损耗。因此，将滤波器和天线集成到同一个模块是降低微波系统尺寸和成本的有效方式。
3.实现滤波天线通常有三种方法，一是滤波器和天线直接级联，将天线辐射体作为滤波电路的最后一级谐振器；二是将寄生的带阻结构合并到天线设计中，从而改变天线阻抗，并在辐射性能中引入滤波响应，该方法可以消除滤波器的尺寸，减少插入损耗；三是通过引入缝隙、条带或贴片等附加结构来调整天线辐射体，以消除特定频率下的天线远场辐射，实现带外抑制，从而最大限度地减少滤波天线所占据的空间尺寸和效率损失，该方法时目前集成度最高的设计方法。
4.目前对于偶极子滤波天线的设计方法较多，一般采用第三种设计方法，即通过开槽、加载寄生贴片、在馈线上加载开路/短路短截线等手段引入辐射零点，从而达到滤波效果。但大多工作频段一般在50％以下，且尺寸一般较大，难以实现目前通信系统小型化、易共形等需求。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供基于金属过孔加载tcda的宽角度扫描超宽带滤波天线，具有超宽带、低剖面、易共形、宽角度扫描等特点。
6.为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
7.基于金属过孔加载tcda的宽角度扫描超宽带滤波天线，包括六层层压板、偶极子阵列、寄生贴片、介质匹配层、金属壁、馈电端口；
8.所述六层层压板通过五层半固化片层粘合，在同一层层压板表面印制偶极子阵列、寄生贴片，且寄生贴片印制在偶极子两侧，所述介质匹配层设有空气孔，介质匹配层加载在偶极子上方，作为宽角匹配层，所述偶极子的每个偶极子臂上加载短路金属过孔和开路金属过孔，其中短路金属过孔与金属地板直接相连，开路金属过孔不与金属地板相连，所述金属壁加载在天线h面方向的边缘处，馈电端口由同轴线直接馈电。
9.为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
10.上述的寄生贴片为条形寄生贴片。
11.上述的开路金属化过孔的数量2与短路金属化过孔的数量为一组5个，且一对开路金属化过孔与一组短路金属化过孔加载在偶极子臂的两侧。
12.上述的开路金属化过孔在高频引入辐射零点，且可以调节开路金属化过孔的长度，调节高频辐射零点所处的频点。
13.上述的短路金属化过孔和馈电端口共同组成marchand巴伦馈电。
14.上述的短路金属化过孔在低频引入辐射零点，配合开路金属化过孔调节滤波天线的通带范围，实现滤波。
15.上述的介质匹配层通过调节空气孔的尺寸，可实现天线与自由空间的匹配，实现宽角度扫描。
16.上述的六层层压板由下至上依次为第一层压板、第二层压板、第三层压板、第四层压板、第五层压板、第六层压板，偶极子与寄生贴片印制在第三层压板的顶层，开路金属化过孔依次穿过第三层压板、半固化片、第二层压板，短路金属化过孔依次穿过第三层压板、半固化片、第二层压板、半固化片、第一层压板，最终与金属地板相连，偶极子上方加载介质匹配层，空气孔开在第四层压板、半固化片与第五层压板。
17.上述的滤波天线为单极化滤波天线，在单极化的基础上，可在不同层介质匹配层印制偶极子，方向与现偶极子正交，实现双极化滤波天线。
18.本发明具有以下有益效果：
19.本发明提供一种基于金属过孔加载紧耦合偶极子(tightly coupled dipole array，tcda)天线，在e面与h面中，垂直入射、30
°
和60
°
斜入射均可在5ghz-15.5ghz频段实现驻波比(vswr)小于3。该天线共有六层层压板，通过五层半固化片层粘合，偶极子阵列与条形寄生贴片印制在在同一层层压板表面，同时在偶极子每个偶极子臂上引入金属化过孔，其中一组5个与金属地板直接相连，为短路金属过孔，另外一个不与金属地板相连，为开路金属过孔。偶极子上方加载有空气孔的介质匹配层作为宽角匹配层，同时在天线单元h面的边缘处加载金属壁。馈电部分采用marchand巴伦，可由50欧姆同轴线直接馈电。本发明将紧耦合天线技术与金属过孔加载应用于滤波天线领域，相比于已有的滤波天线设计，本发明具有超宽带，低剖面，宽角扫描，集成度，易共形高优点，能够广泛应用于对频带宽带要求和宽角扫描要求较高的厘米波段射频前端天线领域。
20.本发明为基于金属过孔加载紧耦合偶极子天线阵列，工作频带为5ghz-15.5ghz的宽角度扫描超宽带滤波天线，利用金属化过孔实现滤波效果，加载h面金属壁和有空气孔的介质匹配层实现宽角扫描特性，适用于对带宽和斜入射要求较高、功能复用较强的场景中。
附图说明
21.图1为本发明滤波天线三维示意图；
22.图2为本发明滤波天线与巴伦结构的侧视图及参数标注；
23.图1-2中附图标记为：1：偶极子、2：寄生贴片、3：开路金属过孔、4：短路金属过孔、5：金属壁、6：空气孔、7：馈电端口、1-1：第一层压板、1-2：第二层压板、1-3：第三层压板、1-4：第四层压板、1-5：第五层压板、1-6：第六层压板；
24.图3为本发明滤波天线的俯视图及参数标注；
25.图4为本发明滤波天线垂直入射，e面30
°
斜入射与e面60
°
斜入射驻波比仿真结果；
26.图5为本发明滤波天线垂直入射，h面30
°
斜入射与h面60
°
斜入射驻波比仿真结果；
27.图6为本发明滤波天线分别在垂直入射情况下，主极化与交叉极化频率增益曲线
仿真结果；
28.图7为本发明滤波天线分别在e面30
°
斜入射情况下，主极化与交叉极化频率增益曲线仿真结果；
29.图8为本发明滤波天线分别在e面60
°
斜入射情况下，主极化与交叉极化频率增益曲线仿真结果；
30.图9为本发明滤波天线分别h面30
°
斜入射情况下，主极化与交叉极化频率增益曲线仿真结果；
31.图10为本发明滤波天线分别h面60
°
斜入射情况下，主极化与交叉极化频率增益曲线仿真结果。
具体实施方式
32.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
33.本发明中的步骤虽然用标号进行了排列，但并不用于限定步骤的先后次序，除非明确说明了步骤的次序或者某步骤的执行需要其他步骤作为基础，否则步骤的相对次序是可以调整的。可以理解，本文中所使用的术语“和/或”涉及且涵盖相关联的所列项目中的一者或一者以上的任何和所有可能的组合。
34.本发明设计的一种基于紧耦合偶极子阵列的宽角度扫描超宽带滤波天线如图1所示，由五层半固化片粘合六层层压板，偶极子1与寄生贴片2印制在介质匹配层的表面，同时在偶极子臂上加载短路金属过孔4、开路金属过孔3，在偶极子1上方放置加载有空气孔6的介质匹配层作为宽角匹配层，同时在天线单元h面的边缘处加载金属壁5实现，加载在偶极子臂两边的寄生条形贴片2及偶极子臂上加载的开路金属化过孔3，短路金属化过孔4，于天线单元h面的边缘处加载的金属壁5和有空气孔6加载的介质匹配层。天线馈电部分7可由标准50欧姆同轴线直接馈电。具体介绍如下：
35.本发明的基于金属过孔加载tcda的宽角度扫描超宽带滤波天线，包括六层层压板、偶极子1阵列、寄生贴片2、介质匹配层、金属壁5、馈电端口7；
36.所述六层层压板通过五层半固化片层粘合，在同一层层压板表面印制偶极子1阵列、寄生贴片2，且寄生贴片2印制在偶极子1两侧，所述介质匹配层设有空气孔6，介质匹配层加载在偶极子1上方，作为宽角匹配层，所述偶极子1的每个偶极子臂上加载短路金属过孔4和开路金属过孔3，其中短路金属过孔4与金属地板直接相连，开路金属过孔3较短，不与金属地板相连；所述金属壁5加载在天线h面方向的边缘处，馈电端口7采用marchand巴伦，可由50欧姆同轴线直接馈电。
37.所述寄生贴片2为条形寄生贴片，条形寄生贴片的引入，起到了对高频带外抑制的效果。
38.实施例中，所述开路金属化过孔3的数量2与短路金属化过孔4的数量为一组5个，且一对开路金属化过孔3与一组短路金属化过孔4加载在偶极子臂1的两侧。
39.实施例中，所述开路金属化过孔3在高频引入辐射零点，且可以调节开路金属化过孔3的长度，调节高频辐射零点所处的频点(调节高频处的辐射零点)。
40.实施例中，所述短路金属化过孔4和馈电端口7共同组成marchand巴伦馈电。
41.实施例中，所述短路金属化过孔4在低频引入辐射零点，配合开路金属化过孔3，可以调节滤波天线的通带范围，最终实现滤波效果。
42.实施例中，所述金属壁5的引入消除了天线在e面斜入射时所产生的低频谐振频点。
43.实施例中，所述介质匹配层通过调节空气孔6的尺寸，可实现天线单元与自由空间的匹配，实现宽角度扫描。
44.天线侧视图如图2所示，所述六层层压板由下至上依次为第一层压板1-1、第二层压板1-2、第三层压板1-3、第四层压板1-4、第五层压板1-5、第六层压板1-6，偶极子1与寄生贴片2印制在第三层压板1-3的顶层，开路金属化过孔3依次穿过第三层压板1-3、半固化片、第二层压板1-2，短路金属化过孔4依次穿过第三层压板1-3、半固化片、第二层压板1-2、半固化片、第一层压板1-1，最终与金属地板相连，偶极子1上方加载介质匹配层，空气孔6开在第四层压板1-4、半固化片与第五层压板1-5。
45.实施例中，滤波天线为单极化滤波天线，在此时单极化的基础上，可在不同层介质匹配层印制偶极子1，方向与现偶极子1正交，可实现双极化滤波天线。
46.实施例
47.如图1所示，为一种基于金属过孔加载紧耦合偶极子阵列超宽带滤波天线三维示意图，该宽角度扫描超宽带滤波天线采用多层印刷电路板技术加工制作而成，层压板板材为tsm-ds3，相对介电常数为3，板间采用半固化片进行粘合，半固化片材质为fr-28，相对介电常数为2.74。
48.如图2所示，为上述一种基于金属过孔加载紧耦合偶极子阵列超宽带滤波天线与巴伦结构侧视图及其尺寸标注。具体结构尺寸为：h1＝0.76mm，h2＝0.51mm，h3＝2.29mm，h4＝2.29mm，h5＝0.76mm，h6＝0.51mm，h7＝0.16mm。
49.如图3所示，为上述一种基于金属过孔加载紧耦合偶极子阵列超宽带滤波天线俯视图及其尺寸标注。具体结构尺寸为：p＝6mm，gap1＝0.2mm，gap2＝0.35mm，r1＝1.1mm，r2＝1mm，r3＝0.5mm，r4＝0.15mm，r5＝0.1mm，r6＝0.4mm，l1＝3mm，l2＝0.49mm，l3＝0.63mm，l4＝1.41mm，w1＝0.1mm，w2＝2mm，w3＝0.25mm，w4＝0.1mm，w5＝0.25mm，d1＝0.75mm，d2＝0.7mm，d3＝0.75mm，d4＝0.7mm，φ1＝30
°
，φ2＝45
°
，φ3＝45
°
。
50.图4、图5及图6-10为本发明仿真结果图，可以看到本发明具有很宽的工作带宽，e面与h面60
°
大角度斜入射情况下均可在5-15.5ghz频段实现vswr小于3。主极化增益在5-15.5ghz频段随着频率升高，交叉极化较低，在工作频带两端具有明显的辐射零点，带外抑制效果较好，且具有很高的滚降率，滤波性能良好。
51.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
52.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当
将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

技术特征：
1.基于金属过孔加载tcda的宽角度扫描超宽带滤波天线，其特征在于，包括六层层压板、偶极子(1)、寄生贴片(2)、介质匹配层、金属壁(5)、馈电端口(7)；所述六层层压板通过五层半固化片层粘合，在同一层层压板表面印制偶极子(1)、寄生贴片(2)，且寄生贴片(2)印制在偶极子(1)两侧，所述介质匹配层设有空气孔(6)，介质匹配层加载在偶极子(1)上方，作为宽角匹配层，所述偶极子(1)的每个偶极子臂上加载短路金属过孔(4)和开路金属过孔(3)，其中短路金属过孔(4)与金属地板直接相连，开路金属过孔(3)不与金属地板相连，所述金属壁(5)加载在天线h面方向的边缘处，馈电端口(7)由同轴线直接馈电。2.根据权利要求1所述的基于金属过孔加载tcda的宽角度扫描超宽带滤波天线，其特征在于，所述寄生贴片(2)为条形寄生贴片。3.根据权利要求1所述的基于金属过孔加载tcda的宽角度扫描超宽带滤波天线，其特征在于，所述开路金属化过孔(3)的数量2与短路金属化过孔(4)的数量为一组5个，且一对开路金属化过孔(3)与一组短路金属化过孔(4)加载在偶极子臂(1)的两侧。4.根据权利要求1所述的基于金属过孔加载tcda的宽角度扫描超宽带滤波天线，其特征在于，所述开路金属化过孔(3)在高频引入辐射零点，且可以调节开路金属化过孔(3)的长度，调节高频辐射零点所处的频点。5.根据权利要求1所述的基于金属过孔加载tcda的宽角度扫描超宽带滤波天线，其特征在于，所述短路金属化过孔(4)和馈电端口(7)共同组成marchand巴伦馈电。6.根据权利要求1所述的基于金属过孔加载tcda的宽角度扫描超宽带滤波天线，其特征在于，所述短路金属化过孔(4)在低频引入辐射零点，配合开路金属化过孔(3)调节滤波天线的通带范围，实现滤波。7.根据权利要求1所述的基于金属过孔加载tcda的宽角度扫描超宽带滤波天线，其特征在于，所述介质匹配层通过调节空气孔(6)的尺寸，可实现天线与自由空间的匹配，实现宽角度扫描。8.根据权利要求1所述的基于金属过孔加载tcda的宽角度扫描超宽带滤波天线，其特征在于，所述六层层压板由下至上依次为第一层压板(1-1)、第二层压板(1-2)、第三层压板(1-3)、第四层压板(1-4)、第五层压板(1-5)、第六层压板(1-6)，偶极子(1)与寄生贴片(2)印制在第三层压板(1-3)的顶层，开路金属化过孔(3)依次穿过第三层压板(1-3)、半固化片、第二层压板(1-2)，短路金属化过孔(4)依次穿过第三层压板(1-3)、半固化片、第二层压板(1-2)、半固化片、第一层压板(1-1)，最终与金属地板相连，偶极子(1)上方加载介质匹配层，空气孔(6)开在第四层压板(1-4)、半固化片与第五层压板(1-5)。9.根据权利要求1-8任一项所述的基于金属过孔加载tcda的宽角度扫描超宽带滤波天线，其特征在于，所述滤波天线为单极化滤波天线，在单极化的基础上，可在不同层介质匹配层印制偶极子(1)，方向与现偶极子(1)正交，实现双极化滤波天线。

技术总结
本发明公开了基于金属过孔加载TCDA的宽角度扫描超宽带滤波天线，包括六层层压板、偶极子、寄生贴片、介质匹配层、金属壁、馈电端口；六层层压板通过五层半固化片层粘合，在同一层层压板表面印制偶极子、寄生贴片，且寄生贴片印制在偶极子两侧，介质匹配层设有空气孔，介质匹配层加载在偶极子上方，偶极子的每个偶极子臂上加载短路金属过孔和开路金属过孔，短路金属过孔与金属地板直接相连，开路金属过孔不与金属地板相连，金属壁加载在天线H面方向的边缘处，馈电端口由同轴线直接馈电。本发明将紧耦合天线技术与金属过孔加载应用于滤波天线领域，具有超宽带，低剖面，宽角扫描，集成度，易共形高优点。易共形高优点。易共形高优点。


技术研发人员：施永荣 邢超峰 徐达龙 姜勋 王昊 吴启晖
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.08.02
技术公布日：2023/10/20