一种交叉耦合多零SIW滤波天线阵列及通信设备

本发明涉及微波和毫米波通信系统中天线阵列设计与制造的，尤其涉及一种交叉耦合多零siw滤波天线阵列及通信设备。

背景技术：

1、在现代通信系统中，天线、滤波器和功分器是至关重要的组件，在实现信息交换和稳定系统容量方面起到非常重要的作用。由于无线业务需求的迅速增长，人们越来越多地致力于研究器件的集成，以达到小型化、高性能的目的。通带选择性是指滤波器允许信号通过并抑制其设计频率范围内其他频率信号的能力，通带选择性是一个关键的设计元素，对保证无线通信系统的性能、可靠性和合规性非常重要。

2、传统的设计通常需要分别实现滤波器和功分器的功能，这导致了系统结构复杂且占用空间大的问题。针对这一挑战，近年来耦合方式实现滤波功分一体化设计成为一种重要趋势。这种设计方法通过将滤波器和功分器的功能整合到一个器件中，实现了在小尺寸的天线阵列中同时实现滤波和功分的功能，并且能够达到极佳的性能要求，从而大大简化了系统结构并节约了空间。

3、交叉耦合由于能够在天线阵列中引入多个辐射零点，在天线设计中被广泛应用，如公开号为cn116722342a的中国发明专利申请《一种毫米波滤波超表面天线模块及通信设备》中通过在第一介质基板的第一表面的金属接地板上刻蚀交叉耦合结构，用于增加传输零点以提高滤波器的带外抑制性能。而现有的滤波功分一体化设计通常采用级联的方式，前端都是滤波功分，最后端口辐射，这种形式为了实现辐射端口的间距，实现组阵效果，因此信号朝着一个方向传输，无法引入交叉耦合，从而无法引入辐射零点，导致阻带抑制效果较差。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于如何提高滤波天线阵列的通带选择性。

2、本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种交叉耦合多零siw滤波天线阵列，包括依次层叠设置的第一金属板、第一介质基板、第二金属板、第二介质基板，所述第一金属板上设置有交叉耦合结构，所述第一介质基板上环形设置滤波功分器，滤波功分器的多个输出端口分别连接到天线单元，输出端口的间距在半个波长到一个波长之间。

3、本发明通过将滤波功分器设计成一体化结构，且环形设置在介质基板上，能够大大简化系统结构和节约空间，实现了在小尺寸的天线阵列中同时滤波和功分的作用，通过在滤波功分器中引入交叉耦合结构，在天线阵列中引入多个辐射零点，通过调节单元之间的相位差，不同相位引入的交叉耦合可以在阻带中引入多个辐射零点，从而实现更强的滤波效果。这种设计方式不仅提高了天线阵列的通带选择性，提高了系统的抗干扰能力和通信质量，能够保持天线阵列的小尺寸和高性能，减少能量损耗，克服了传统滤波功分级联方式无法引入交叉耦合结构的缺陷。

4、优选的，所述滤波功分器为耦合的一体化结构，包括排列设置在第一介质基板中的多个金属化通孔形成的多个中腔结构，相邻的中腔结构设置有耦合窗口。

5、优选的，所述滤波功分器为一分二、二分四对称分布的六阶滤波功分器，每路滤波功分器的中腔结构包括第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔、第四谐振腔、第五谐振腔和第六谐振腔，第一谐振腔与第二谐振腔之间的耦合窗口宽度为d12，第二谐振腔与第三谐振腔之间的耦合窗口宽度为d23，第三谐振腔与第四谐振腔之间的耦合窗口宽度为d34，第四谐振腔与第五谐振腔之间的耦合窗口宽度为d45，第五谐振腔与第六谐振腔之间的耦合窗口宽度为d56，各个耦合窗口宽度由相对带宽、中心频率和阶数确定。

6、优选的，所述交叉耦合结构位于第三谐振腔与第六谐振腔之间的耦合窗口处，交叉耦合结构为刻蚀在第一金属板上的s型槽。

7、优选的，所述天线单元采用折叠馈电线实现阵列辐射的同时在阻带引入多个辐射零点。

8、优选的，所述天线单元包括两个折叠馈电线、两个直线馈电线和四个辐射贴片，折叠馈电线、直线馈电线与辐射贴片相连接后分别通过金属包边连接到滤波功分器的四个输出端口。

9、优选的，所述滤波功分器包括一个输入端口和四个输出端口，输入端口的长度d1为4.25mm，输出端口的长度d2为3.93mm，交叉耦合结构的长度d3为5.3mm。

10、优选的，所述第一介质基板、第二介质基板的介电常数均为3.66，损耗角正切为0.004。

11、优选的，在12-13ghz的通带范围内，s11＜-10db，峰值增益达到9.5dbi。

12、本发明还提供一种通信设备，所述通信设备包括所述的交叉耦合多零siw滤波天线阵列。

13、本发明提供的优点在于：

14、1、本发明通过将滤波功分器设计成一体化结构，且环形设置在介质基板上，能够大大简化系统结构和节约空间，实现了在小尺寸的天线阵列中同时滤波和功分的作用，通过在滤波功分器中引入交叉耦合结构，在天线阵列中引入多个辐射零点，通过调节单元之间的相位差，不同相位引入的交叉耦合可以在阻带中引入多个辐射零点，从而实现更强的滤波效果。这种设计方式不仅提高了天线阵列的通带选择性，提高了系统的抗干扰能力和通信质量，能够保持天线阵列的小尺寸和高性能，减少能量损耗，克服了传统滤波功分级联方式无法引入交叉耦合结构的缺陷。

15、2、通过金属包边连接滤波功分器与天线单元，同时改变天线单元的馈电线长调控相位，从而实现组阵的效果并在阻带引入多个辐射零点。

16、3、本发明的天线阵列在12-13ghz的通带范围内，s11＜-10db，峰值增益达到9.5dbi，在ku波段中具有广泛的应用前景，能够应用于5g和6g移动通信系统中，实现更加精确的波束控制和更高的通信质量，满足移动通信系统对于高速、高效、低延迟的要求。

技术特征：

1.一种交叉耦合多零siw滤波天线阵列，其特征在于：包括依次层叠设置的第一金属板(10)、第一介质基板(20)、第二金属板(30)、第二介质基板(40)，所述第一金属板(10)上设置有交叉耦合结构(11)，所述第一介质基板(20)上环形设置滤波功分器，滤波功分器的多个输出端口分别连接到天线单元，输出端口的间距在半个波长到一个波长之间。

2.根据权利要求1所述的交叉耦合多零siw滤波天线阵列，其特征在于：所述滤波功分器为耦合的一体化结构，包括排列设置在第一介质基板(20)中的多个金属化通孔(201)形成的多个中腔结构，相邻的中腔结构设置有耦合窗口。

3.根据权利要求2所述的交叉耦合多零siw滤波天线阵列，其特征在于：所述滤波功分器为一分二、二分四对称分布的六阶滤波功分器，每路滤波功分器的中腔结构包括第一谐振腔(21)、第二谐振腔(22)、第三谐振腔(23)、第四谐振腔(24)、第五谐振腔(25)和第六谐振腔(26)，第一谐振腔(21)与第二谐振腔(22)之间的耦合窗口宽度为d12，第二谐振腔(22)与第三谐振腔(23)之间的耦合窗口宽度为d23，第三谐振腔(23)与第四谐振腔(24)之间的耦合窗口宽度为d34，第四谐振腔(24)与第五谐振腔(25)之间的耦合窗口宽度为d45，第五谐振腔(25)与第六谐振腔(26)之间的耦合窗口宽度为d56，各个耦合窗口宽度由相对带宽、中心频率和阶数确定。

4.根据权利要求3所述的交叉耦合多零siw滤波天线阵列，其特征在于：所述交叉耦合结构(11)位于第三谐振腔(23)与第六谐振腔(26)之间的耦合窗口处，交叉耦合结构为刻蚀在第一金属板(10)上的s型槽。

5.根据权利要求1所述的交叉耦合多零siw滤波天线阵列，其特征在于：所述天线单元采用折叠馈电线实现阵列辐射的同时在阻带引入多个辐射零点。

6.根据权利要求5所述的交叉耦合多零siw滤波天线阵列，其特征在于：所述天线单元包括两个折叠馈电线(61)、两个直线馈电线(62)和四个辐射贴片(63)，折叠馈电线(61)、直线馈电线(62)与辐射贴片(63)相连接后分别通过金属包边(50)连接到滤波功分器的四个输出端口。

7.根据权利要求1所述的交叉耦合多零siw滤波天线阵列，其特征在于：所述滤波功分器包括一个输入端口(101)和四个输出端口(102)，输出端口(102)的间距在半个波长到一个波长之间，输入端口(101)的长度d1为4.25mm，输出端口(102)的长度d2为3.93mm，交叉耦合结构(11)的长度d3为5.3mm。

8.根据权利要求1所述的交叉耦合多零siw滤波天线阵列，其特征在于：所述第一介质基板(20)、第二介质基板(40)的介电常数均为3.66，损耗角正切为0.004。

9.根据权利要求1所述的交叉耦合多零siw滤波天线阵列，其特征在于：在12-13ghz的通带范围内，s11＜-10db，峰值增益达到9.5dbi。

10.一种通信设备，其特征在于，所述通信设备包括如权利要求1-9任一项所述的交叉耦合多零siw滤波天线阵列。

技术总结本发明提供了一种交叉耦合多零SIW滤波天线阵列，属于微波和毫米波通信系统中天线阵列设计与制造的领域，包括依次层叠设置的第一金属板、第一介质基板、第二金属板、第二介质基板，第一金属板上设置有交叉耦合结构，第一介质基板上环形设置滤波功分器，滤波功分器的多个输出端口分别连接到天线单元，输出端口的间距在半个波长到一个波长之间，滤波功分器设计成一体化结构，且环形设置在介质基板上，在滤波功分器中引入交叉耦合结构，在天线阵列中引入多个辐射零点，提高了天线阵列的通带选择性，克服了传统滤波功分级联方式无法引入交叉耦合结构的缺陷。技术研发人员：王刚,胡云峰,商亮,刘奕阳,胡雅丽,李文刚,张祖赫,金靖然,孙金龙,朱奕帆,吴先良受保护的技术使用者：安徽大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29