CN103956569B - 集成滤波功能的差分准八木天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成滤波功能的差分准八木天线，所述集成滤波功能的差分准八木天线包括基板，所述基板包括由微波介质基片构成的上层和下层，以及由半固化片构成的中间层；所述集成滤波功能的差分准八木天线还包括：引向器(11)、辐射单元(12)和反射器(13)、滤波器(14)和过渡结构(15)。实施本发明的有益效果是，在不增加天线原始尺寸的情况下，集滤波与辐射于一体；结构紧凑；具有较好的交叉极化和较低的损耗。

Description

集成滤波功能的差分准八木天线

技术领域

本发明涉及天线领域，更具体地说，涉及一种集成滤波功能的差分准八木天线。

背景技术

在当今大部分的射频前端系统中，天线和滤波器都是作为相互独立的器件工作的。由于对无源器件紧凑型结构以及低成本的要求在不断的增加，将滤波器集成到天线上将是一种很有效的方法，这种方法不仅实现了微波器件的小型化还同时提高了单独微波器件的性能。因此，一种能够同时具有滤波和辐射性能的紧凑型滤波天线对于当今的射频系统显得尤为重要。

在天线上集成滤波器是为了在不改变天线的本身尺寸的情况下使得其具备比较好的频率选择性，这样一定程度上提高了系统的集成度。现有的滤波天线，大多是单端的，有的直接将天线与滤波器相连，这样通常会导致阻抗的失配和整体性能变差。为了克服这个问题，有的天线在电路中添加一段额外的阻抗转换的结构，但这样会使得整体的尺寸变大。此外，也有一些滤波天线是通过联合设计天线和滤波器实现的。但这种方式还是增加了原天线的尺寸。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述滤波天线尺寸较大、结构不够紧凑的缺陷，提供一种集成滤波功能的差分准八木天线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种集成滤波功能的差分准八木天线，包括基板，所述基板包括由微波介质基片构成的上层和下层，以及由半固化片构成的中间层；

所述集成滤波功能的差分准八木天线还包括：引向器、辐射单元、反射器、滤波器和过渡结构；

其中，引向器印制在所述基板的上层；

辐射单元包括分别印制在所述基板上层和下层的第一金属部和第二金属部；

反射器印制在所述基板的中间层；

滤波器安插在辐射单元与反射器之间；

所述滤波器包括两个均含有通孔的第一谐振器和第二谐振器；通孔贯穿所述基板上层和下层的微波介质基片以及中间层的半固化片；第一谐振器包括分别印制在所述基板的上层和下层的第三金属部和第四金属部；第二谐振器包括分别印制在所述基板的上层和下层的第五金属部和第六金属部；第一谐振器的第三金属部和第四金属部通过通孔连接，以实现短路；第二谐振器的第五金属部和第六金属部通过通孔连接，以实现短路；

所述第二谐振器的馈电点通过平行带线与辐射单元的馈电点连接；

所述过渡结构与所述第一谐振器连接，以将平行带线上的信号过渡到第二微带线上；

所述过渡结构包括分别印制在所述基板上层和下层的第七金属部和第八金属部。

在一个实施例中，所述滤波器为带通滤波器。

在一个实施例中，所述第一谐振器和第二谐振器均为四分之一波长的平行带线形式的短路谐振器，且均为单一阻抗谐振器。

在一个实施例中，所述第二微带线为背靠背的微带线对，其包括分别印制在所述基板上层和下层的第九金属部和第十金属部，以及印制在基板中间层的第十一金属部。

在一个实施例中，所述引向器的长度等于为天线中心频率上的二分之一波长；所述辐射单元与反射器之间的距离为四分之一波长。

在一个实施例中，所述引向器、辐射单元和反射器构成原始的准八木天线。

在一个实施例中，所述滤波器的中心频率为1.81GHz，相对带宽为5％。

在一个实施例中，引向器的长度Ldir为50mm,辐射单元的长度Ldri为34mm,引向器与辐射单元之间的距离L₀为25mm,辐射单元与反射器之间的距离L₁为30mm,第二谐振器与辐射单元的距离L₂为12.6mm,第二谐振器的馈电点与辐射单元的馈电点之间的连接平行带线的长度L₃为18.3mm,引向器的宽度Wdir为2mm，辐射单元的宽度Wdri为2mm,反射器的宽度Wgnd为30mm,第二谐振器的馈电点与辐射单元的馈电点之间的连接平行带线的宽度W₀为0.6mm,谐振器和谐振器之间的距离g为1.57mm,第一谐振器的馈电点距第一谐振器左端的距离D₀为2mm，第二谐振器的馈电点距第二谐振器142右端的距离D₁为6mm。

在一个实施例中，第二微带线远离第一谐振器的一端连接有两条微带线，以和SMA接头连接；两条微带线的宽度分别为1.74mm和1.8mm。

在一个实施例中，半固化片的介电常数与微波介质基片的介电常数不同。

实施本发明的集成滤波功能的差分准八木天线，具有以下有益效果：在不增加天线原始尺寸的情况下，集滤波与辐射于一体；结构紧凑；具有较好的交叉极化和较低的损耗。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一实施例中的集成滤波功能的差分准八木天线的结构示意图；

图2是本发明一实施例中的准八木天线的俯视视角的平面结构示意图；

图3是本发明一实施例中的带通滤波器的俯视视角的平面结构示意图；

图4是本发明一实施例中的集成滤波功能的差分准八木天线的交叉极化的最大值以及增益随着天线的辐射单元与滤波器之间距离的变化趋势对比图；

图5是本发明一实施例中的集成滤波功能的差分准八木天线在E面上的交叉极化随着滤波器的中心与天线辐射单元的中心的相对距离变化的趋势对比图；

图6是本发明一实施例中的集成滤波功能的差分准八木天线在A点和B点的输入阻抗随着L₃的变化的趋势对比图；

图7是本发明一实施例中的集成滤波功能的差分准八木天线的回波损耗随着D₁的的变化的趋势对比图；

图8是本发明一实施例中的集成滤波功能的差分准八木天线的回波损耗和实际增益的仿真和实测对比图；

图9是本发明一实施例中的集成滤波功能的差分准八木天线在1.81GHz频率上的E面上的辐射方向图的仿真和实测对比图；

图10是本发明一实施例中的集成滤波功能的差分准八木天线在1.81GHz频率上的H面上的辐射方向图的仿真和实测对比图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

参见图1是本发明实施例的集成滤波功能的差分准八木天线的结构示意图。本发明实施例的集成滤波功能的差分准八木天线为三层电路结构。具体的，本发明实施例的集成滤波功能的差分准八木天线包括基板，该基板包括微波介质基片构成的上层1和下层3，以及由半固化片构成的中间层2。半固化片用于粘合两层微波介质基片。半固化片的介电常数与微波介质基片的介电常数不同。图1中h₁为微波介质基片的厚度即基板的上层和下层的厚度，h₂为半固化片的厚度即中间层的厚度。

本发明实施例的集成滤波功能的差分准八木天线包括：准八木天线、滤波器14和过渡结构15。准八木天线包括：引向器11、辐射单元12和反射器13(金属地，在本发明的实施例中，金属地在作为天线的反射器的同时也作为背靠背差分微带对的地)。其中，引向器11印制在基板的上层1。辐射单元12包括分别印制在基板上层1和下层3的第一金属部和第二金属部(由于采用平行带线传输差分信号，而平行带线是上下层分布的，因此辐射单元12被分为分别印制在基板上层1和下层3的第一金属部和第二金属部)。反射器13印制在基板的中间层2。滤波器14安插在辐射单元12与反射器13之间，安插的方向与反射器13的宽度所在方向一致。

具体的，滤波器14为带通滤波器，其包括两个谐振器(141、142)。该两个谐振器(141、142)均为四分之一波长的平行带线形式的短路谐振器，且均为单一阻抗谐振器，它们都含有通孔4。通孔4贯穿上层1、中间层2和下层3(即贯穿基板的半固化片和两层微波介质基片)。谐振器141包括分别印制在基板的上层1和下层3的第三金属部和第四金属部。谐振器142包括分别印制在基板的上层1和下层3的第五金属部和第六金属部。谐振器141的第三金属部和第四金属部通过通孔4连接，以实现短路；谐振器142的第五金属部和第六金属部通过通孔4连接，以实现短路。

过渡结构15与谐振器141的馈电点连接，以将平行带线上的信号过渡为背靠背的第二微带线5上的信号。然后，再利用一对背靠背的微带线来进行差分馈电。具体的，过渡结构15分别印制在基板上层1和下层3的第七金属部和第八金属部。谐振器142的馈电点通过平行带线6与辐射单元12的馈电点121连接；谐振器141的馈电点与一对背靠背的第二微带线5连接，第二微带线5远离第一谐振器141的一端连接有两条微带线，以和SMA接头连接。第二微带线为背靠背的微带线对，其包括分别印制在基板上层1和下层3的第九金属部和第十金属部，以及印制在基板中间层2的第十一金属部。

本发明实施例的集成滤波功能的差分准八木天线，在原始的准八木天线的基础上，设计一个负载为100欧姆的带通滤波器，再将滤波器和天线在一起联合设计，在设计过程中，需要同时考虑该集成滤波功能的差分准八木天线的电路性能和辐射性能。本发明实施例的集成滤波功能的差分准八木天线在不增加原始准八木天线的尺寸和不改变原始准八木天线辐射性能的基础上，能够获得更好的频率选择性。

在本发明的实施例中对引向器的个数不作限制。

在本发明的实施例中，集成滤波功能的差分准八木天线的各部分印制在基板的各层，并根据天线的设计标准需要对其位置进行固定。以下将结合一个具体的设计标准对集成滤波功能的差分准八木天线的各部分的位置关系进行说明。

参见图2，假设集成滤波功能的差分准八木天线的中心频率为f₀(即滤波器14的中心频率)，波长λ＝C/f₀(C为3×10⁸m/s)。则引向器11的长度Ldir近似等于二分之一波长，辐射单元12的长度Ldri等于四分之一波长(辐射单元12的两金属部的长度和近似等于二分之一波长)，反射器13的长度近似等于二分之一波长，辐射单元12与反射器13之间的距离L₁近似等于四分之一波长。本发明中，辐射单元12与反射器13之间的距离是指第二辐射单元12到基板的侧面的距离减去反射器13的宽度，该侧面为基板的垂直于反射器的宽度所在方向的且与反射器13相连接的一个面。

参见图3，本发明实施例的集成滤波功能的差分准八木天线中，滤波器14(为带通滤波器)是利用平行带线实现的，其两个一端短路的谐振器(141、142)是由位于上层和下层的金属和用于连接上层和下层的金属的通孔构成。在滤波器14的设计标准(中心频率和相对带宽)确定后，根据该设计标准，可获取滤波器14(结构对称的带通滤波器)的耦合矩阵。根据耦合矩阵，滤波器14的外部品质因数(Q_e)和耦合系数(k₁₂)可通过式(1)和式(2)确定：

式(1)

$k_{12}=FBW\×M_{12}=\frac{f_2^2-f_1^2}{f_2^2+f_1^2}$ 式(2)

参见图3，谐振器142的馈电点距谐振器142右端的距离D₁(或谐振器141的馈电点距谐振器141左端的距离D₀)、谐振器141和谐振器142之间的距离g分别是影响Q_e和k₁₂的因素。在设定了Q_e和k₁₂的情况下，通过调节D₀(或D₁)和g可实现对Q_e和k₁₂的满足。

滤波器14的位置对集成滤波功能的差分准八木天线的辐射特性有一定的影响(例如，影响增益和交叉极化)，这是由于滤波器和准八木天线之间的相互耦合而产生的。因此，滤波器14在集成滤波功能的差分准八木天线中的位置应该先被确定下来，当滤波器14的位置固定后，通过去调节准八木天线的输入阻抗和在谐振器141上选择一个合适的馈电点来实现阻抗匹配。

参见图4和图5，通过天线的交叉极化和增益的综合考虑可以得到一个合适的L₂(谐振器142与辐射单元12的距离)和d(d是沿y方向滤波器的中心与辐射单元的中心的相对距离)的值。那么滤波器14的位置就已经固定下来，此时对于本发明实施例的集成滤波功能的差分准八木天线来说，需要一段平行带线去连接准八木天线(在本发明的实施例中，仅包括引向器11、辐射单元12和反射器13的即为准八木天线)和滤波器，此时准八木天线的输入阻抗变成了如图1所示的从B点看进去的输入阻抗，其与从A点看进去的输入阻抗不同。故需要调节在谐振器142上馈电点的位置即D₁的值来和新的天线的输入阻抗匹配，而调节D₁的值会带来L₃的微弱变化，这同时会带来从B点看进去的准八木天线的输入阻抗的改变。如图6所示，L₃的变化对从B点看进去的准八木天线的输入阻抗的改变很微弱。因此，可以通过调节在谐振器上馈电点的位置即D₁的值来和新的天线的输入阻抗匹配，如图7所示，D₁的改变对系统的回波损耗影响较大，这是因为D₁的变化造成了谐振器2的外部品质因数的改变。

优选的，若准八木天线为原始的准八木天线(为现有技术，本发明对此不做描述)，滤波器14的设计标准是中心频率(f₀)为1.81GHz和相对带宽(FBW)为5％，则经过对整体结构的各部分的尺寸的优化，本发明实施例的集成滤波功能的差分准八木天线各组成部分的尺寸和位置如下：Ldir＝50mm,Ldri＝34mm,L₀＝25mm,L₁＝30mm,L₂＝12.6mm,L₃＝18.3mm,Wdir＝Wdri＝2mm,Wgnd＝30mm,W₀＝0.6mm,W₁＝1.74mm,W₂＝1.8mm,g＝1.57mm,D₀＝2mm和D₁＝6mm。其中，Ldir为引向器11的长度，Ldri为辐射单元12的长度，L₀为引向器11与辐射单元12之间的距离，L₁为辐射单元12与反射器13之间的距离，L₂为谐振器142与辐射单元12的距离，L₃为谐振器142的馈电点与辐射单元12的馈电点之间的连接微带线6的长度，Wdir为引向器11的宽度，Wdri为辐射单元12的宽度，Wgnd为反射器13的宽度，W₀为第二谐振器的馈电点与辐射单元的馈电点之间的连接平行带线的宽度，W₁和W₂分别为微带线6岔开形成的两条微带线的宽度(W₁，W₂是初始的馈线的尺寸，而微带线6岔开形成两条微带线是为了测试的时候接SMA连接头)，g为谐振器141和谐振器142之间的距离，D₀为谐振器141的馈电点距谐振器141左端的距离，D₁为谐振器142的馈电点距谐振器142右端的距离。

使用软件HFSS以及安捷伦E5230C网络分析器以及微波暗室对本发明实施例的集成滤波功能的差分准八木天线进行模拟和测量，测量的结果如图8-图10所示，可以看到本发明的集成滤波功能的差分准八木天线的中心频率为1.81GHz，FBW为5％，其交叉极化水平在E面和H面上的最大值分别为-22dB和-17dB，因此本发明实施例的集成滤波功能的差分准八木天线在不增加准八木天线的本身尺寸的情况下使得其不仅具备良好的辐射性能还同时具备滤波性能，故在一定程度上实现较为紧凑的结构，并且有较好的交叉极化水平和较好的频率选择性。

应理解，集成滤波功能的差分准八木天线的设计标准不同，其各部分的位置关系不相同，例如，若天线的设计标准为中心频率(f₀)为1.81GHz和相对带宽(FBW)为10％，则本发明实施例的集成滤波功能的差分准八木天线的各组成部分的尺寸和位置参数中，g＝0.6mm,D₀＝4.8mm，D₁＝9.6mm，其他的尺寸和上述天线的设计标准是中心频率(f₀)为1.81GHz和相对带宽(FBW)为5％时是一样的(即上述Ldir＝50mm,Ldri＝34mm,L₀＝25mm,L₁＝30mm等等)。

本发明实施例的集成滤波功能的差分准八木天线在不增加天线原始尺寸的情况下，集滤波与辐射于一体；结构紧凑；具有较好的交叉极化和较低的损耗。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种集成滤波功能的差分准八木天线，包括基板，其特征在于，所述基板包括由微波介质基片构成的上层和下层，以及由半固化片构成的中间层；

所述集成滤波功能的差分准八木天线还包括：引向器(11)、辐射单元(12)、反射器(13)、滤波器(14)和过渡结构(15)；

其中，引向器(11)印制在所述基板的上层；

辐射单元(12)包括分别印制在所述基板上层和下层的第一金属部和第二金属部；

反射器(13)印制在所述基板的中间层；

滤波器(14)安插在辐射单元(12)与反射器(13)之间，安插的方向与反射器(13)的宽度所在方向一致；

所述滤波器(14)包括两个均含有通孔的第一谐振器(141)和第二谐振器(142)；通孔贯穿所述基板上层和下层的微波介质基片以及中间层的半固化片；第一谐振器(141)包括分别印制在所述基板的上层和下层的第三金属部和第四金属部；第二谐振器(142)包括分别印制在所述基板的上层和下层的第五金属部和第六金属部；第一谐振器(141)的第三金属部和第四金属部通过通孔连接，以实现短路；第二谐振器(142)的第五金属部和第六金属部通过通孔连接，以实现短路；

所述第二谐振器(142)的馈电点通过平行带线(6)与辐射单元(12)的馈电点连接；

所述第一谐振器(141)的馈电点与一对背靠背的第二微带线(5)连接，所述过渡结构(15)与所述第一谐振器(141)连接，以将平行带线上的信号过渡到第二微带线(5)上；

所述过渡结构(15)包括分别印制在所述基板上层和下层的第七金属部和第八金属部。

2.根据权利要求1所述的集成滤波功能的差分准八木天线，其特征在于，所述滤波器(14)为带通滤波器。

3.根据权利要求1所述的集成滤波功能的差分准八木天线，其特征在于，所述第一谐振器(141)和第二谐振器(142)均为四分之一波长的平行带线形式的短路谐振器，且均为单一阻抗谐振器。

4.根据权利要求1所述的集成滤波功能的差分准八木天线，其特征在于，所述第二微带线为背靠背的微带线对，其包括分别印制在所述基板上层和下层的第九金属部和第十金属部，以及印制在基板中间层的第十一金属部。

5.根据权利要求1所述的集成滤波功能的差分准八木天线，其特征在于，所述引向器(11)的长度等于天线中心频率上的二分之一波长；所述辐射单元(12)与反射器(13)之间的距离为四分之一波长；

所述辐射单元(12)与反射器(13)之间的距离是指第二辐射单元(12)到基板的侧面的距离减去反射器(13)的宽度，所述侧面为基板的垂直于所述宽度所在方向的且与反射器(13)相连接的一个面。

6.根据权利要求1所述的集成滤波功能的差分准八木天线，其特征在于，所述引向器(11)、辐射单元(12)和反射器(13)构成原始的准八木天线。

7.根据权利要求6所述的集成滤波功能的差分准八木天线，其特征在于，所述滤波器(14)的中心频率为1.81GHz，相对带宽为5％。

8.根据权利要求7所述的集成滤波功能的差分准八木天线，其特征在于，引向器(11)的长度Ldir为50mm,辐射单元(12)的长度Ldri为34mm,引向器(11)与辐射单元(12)之间的距离L₀为25mm,辐射单元(12)与反射器(13)之间的距离L₁为30mm,第二谐振器(142)与辐射单元(12)的距离L₂为12.6mm,第二谐振器(142)的馈电点与辐射单元(12)的馈电点之间的连接平行带线(6)的长度L₃为18.3mm,引向器(11)的宽度Wdir为2mm，辐射单元(12)的宽度Wdri为2mm,反射器(13)的宽度Wgnd为30mm,第二谐振器(142)的馈电点与辐射单元(12)的馈电点之间的连接平行带线(6)的宽度W₀为0.6mm,谐振器(141)和谐振器(142)之间的距离g为1.57mm,第一谐振器(141)的馈电点距第一谐振器(141)左端的距离D₀为2mm，第二谐振器(142)的馈电点距第二谐振器142右端的距离D₁为6mm；

所述辐射单元(12)与反射器(13)之间的距离是指第二辐射单元(12)到基板的侧面的距离减去反射器(13)的宽度，所述侧面为基板的垂直于所述宽度所在方向的且与反射器(13)相连接的一个面。

9.根据权利要求8所述的集成滤波功能的差分准八木天线，其特征在于，第二微带线(5)远离第一谐振器(141)的一端连接有两条微带线，以和SMA接头连接；两条微带线的宽度分别为1.74mm和1.8mm。

10.根据权利要求1所述的集成滤波功能的差分准八木天线，其特征在于，半固化片的介电常数与微波介质基片的介电常数不同。