CN103985960A - 具有抗干扰特性的双频滤波器天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供具有抗干扰特性的双频滤波器天线，由单极子天线和双频滤波器构成，印制于介质基片的正面；单极子天线包括单极子，单极子顶部加载矩形环，中部加载两个半圆环；双频滤波器为交指结构；双频滤波器的两端设有耦合线，耦合线由耦合窄线和耦合宽线连接而成；双频滤波器的上下设有耦合连接线；双频滤波器的输入端馈线与下方的耦合连接线连接，双频滤波器的输出端馈线与上方的耦合连接线连接；介质基片背面设有金属接地板，金属接地板设有矩形槽。本发明实现了双频滤波器和天线的集成及天线的小型化，可同时工作于WLAN2.45GH和5.2GHz频段，具有良好的特性，在2个频段外具有很好的带外抑制特性，有效隔离带外信号的干扰。

Description

具有抗干扰特性的双频滤波器天线

技术领域

本发明属于电磁兼容与天线技术领域，具体涉及一种具有抗干扰特性的小型化双频滤波器天线。

背景技术

随着现代移动通信的飞速发展，无线通信在人们工作与生活中扮演的角色越来越重要。同时，许多无线标准不断地走出实验室，继而被应用到实际生产生活当中，比如现在已经走入千家万户的无线局域网(WLAN)服务，根据IEEE802.11b/a标准，其工作频段为2.4-2.4835GHz和5.15-5.35GHz。但是，随着人们对无线通信需求的增加，以及有限频谱资源限制，使得各种无线标准间频率间隔过窄，从而容易造成相互间的干扰，比如全球微波互联接入(WiMax)工作在2.5–2.69GHz和3.4–3.69GHz。因此设计一款性能优良的多频天线用于覆盖WLAN2.4GH和5GHz频段，并且滤除其他通信频段的干扰就显得很有必要。同时天线的小型化也非常重要，天线的小型化适应整个系统小型化的趋势、降低了天线的构建成本，同时提高了抵御自然界作用的能力，而且加强了掩蔽性。实际应用中，小型化天线越来越受到重视。因此，多频天线的小型化设计是一个非常现实和迫切的研究课题。然而，天线的性能对物理尺寸具有很强的依赖性，尺寸的减小意味着天线的频带变窄、效率降低。如何在保证天线性能的前提下努力减小天线的尺寸、展宽频带是当今世界性的热点研究课题。

关于将滤波器与天线集成设计为一个模块，已经有相关的研究。Froppier通过在喇叭天线中插入金属柱的方法，使天线产生滤波特性。Mandal等人在将滤波器与天线集成为一个微波器件时，为了减小尺寸，事先设计好具有合适结构的带通滤波器，而后直接插入天线的馈电部分。近年来，Lin等人提出了一种协同设计的方法将滤波器与天线进行一体化设计。这种集成方法减小了集成天线系统的尺寸和滤波器与天线之间的传输损耗。但是，上述研究方法只对单频带滤波器天线开展了研究，没有对能广泛应用于双通带通信系统的双频率带滤波器天线开展研究。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种具有抗干扰特性的双频滤波器天线。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种具有抗干扰特性的双频滤波器天线，其特征在于：它由单极子天线和双频滤波器构成，且整体印制于介质基片的正面；其中，

单极子天线包括一个单极子，单极子顶部加载有沿单极子轴对称的矩形环，单极子中部加载有沿单极子轴对称的2个内径为R的半圆环，其中一个半圆环为张角为α的开口环，另一个半圆环为闭口环，开口环的开口向上；

单极子天线的下端与位于双频滤波器顶部的滤波器输出端馈线连接；

双频滤波器为交指结构，由竖直的交指谐振器交叉设置而成，相邻的交指谐振器之间间距为S₂，交指谐振器由宽为W₄、长为L₃的交指宽线和宽为W₅、长为L₃的交指窄线连接而成，相同方向设置的交指谐振器的交指宽线通过宽为W₈的交指连接线连接；双频滤波器的两端设有与交指谐振器距离为S₁的耦合线，耦合线由宽为W₉、长为L₅的耦合窄线和宽为W₁₀、长为L₄的耦合宽线连接而成；双频滤波器的上下设有水平方向宽为W₁₁的耦合连接线，耦合连接线与耦合宽线连接；双频滤波器的输入端馈线与下方的耦合连接线连接，双频滤波器的输出端馈线与上方的耦合连接线连接；

所述的介质基片背面设有金属接地板，在单极子天线的下端对应的金属接地板处设有矩形槽。

本发明的有益效果为：实现了双频滤波器和天线的集成，可广泛应用于双通带通信系统；通过在单极子顶部加载矩形环的方式实现天线的小型化，该小型化技术利用了在谐振频点处矩形环与单极子电抗互补的特性；通过调节单极子的长度、半圆环的半径和开口环的张角，可使得天线同时工作于WLAN2.45GH和5.2GHz频段，在这两个频段均具有良好的特性，并且在2.45GHz和5.2GHz频段外具有很好的带外抑制特性，能够有效隔离带外信号的干扰。

附图说明

图1为本发明一实施例的天线结构示意图。

图2为本发明一实施例的滤波器结构示意图。

图3为本发明一实施例的整体结构主视图。

图4为本发明一实施例的整体结构后视图。

图5为本发明一实施例的S₁₁仿真与实测结果比较图。

图6为本发明一实施例在2.45GHz频段方向图仿真与实测结果比较图。

图7为本发明一实施例在5.2GHz频段方向图仿真与实测结果比较图。

图中：1-介质基片，2-金属接地板，3-矩形槽，4-单极子，5-矩形环，6-闭口环，7-开口环，8-交指宽线，9-交指窄线，10-交指连接线，11-耦合宽线，12-耦合窄线，13-耦合连接线，14-输入端馈线，15-输出端馈线。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

如图1至图4所示，本发明提供一种具有抗干扰特性的双频滤波器天线，由单极子天线和双频滤波器构成，且整体印制于介质基片1的正面；其中，单极子天线包括一个单极子4，单极子4顶部加载有沿单极子轴对称的矩形环6，单极子中部加载有沿单极子轴对称的2个内径为R的半圆环，其中一个半圆环为张角为α的开口环7，另一个半圆环为闭口环6，开口环7的开口向上；单极子天线的下端与位于双频滤波器顶部的滤波器输出端连接。

双频滤波器为交指结构，由竖直的交指谐振器交叉设置而成，相邻的交指谐振器之间间距为S₂，交指谐振器由宽为W₄、长为L₃的交指宽线8和宽为W₅、长为L₃的交指窄线9连接而成，相同方向设置的交指谐振器的交指宽线8通过宽为W₈的交指连接线10连接；双频滤波器的两端设有与交指谐振器距离为S₁的耦合线，耦合线由宽为W₉、长为L₅的耦合窄线12和宽为W₁₀、长为L₄的耦合宽线11连接而成；双频滤波器的上下设有水平方向宽为W₁₁的耦合连接线13，耦合连接线13与耦合宽线11连接；双频滤波器的输入端馈线14与下方的耦合连接线连接，双频滤波器的输出端馈线15与上方的耦合连接线连接；所述的介质基片1背面设有金属接地板2，在单极子天线的下端(即单极子天线输入端口)对应的金属接地板2处设有矩形槽3。

单极子4顶部加载的矩形环5主要用于实现天线的小型化，该小型化技术利用了在谐振频点处矩形环5与单极子4电抗互补的特性。单极子的中部加载的带开口的半圆环，实现单极子天线的另一个谐振频率。环的周长影响电感，而张角α影响电容。通过调节单极子天线的长度L₁、2个半圆环的半径R和张角α，使天线工作于WLAN2.45GH和5.2GHz频段，从而达到双频的效果。

本实施例以WLAN2.45GH和5.2GHz频段为例，介质基片的相对介电常数为ε_r＝2.65，损耗正切为tanδ＝0.003，厚度t＝1mm。与50Ω的输入阻抗相匹配，双频天线结构的优化参数为：开口环的张角α＝40°，开口环的线宽W₃＝0.9mm，环半径R＝5.2mm，环中心离输入端口(即单极子末端)的长度R₀＝7.2mm；单极子的长度L₁＝20.5mm，宽度W₁＝3mm；矩形环的左侧长度L₂＝5.68mm，矩形环的线宽W₂＝0.4mm。

单极子天线的末端与双频滤波器相连，并且必须匹配良好，因此必须将单极子天线和双频滤波器协同设计。通过优化滤波器中各微带线的长度和宽度，使得该双频滤波器天线在两个工作频带内具有良好的性能。双频滤波器的优化参数为：交指窄线的长L₃＝12.1mm，交指窄线宽W₅＝0.34mm；交指宽线的宽W₄＝2.54mm，交指宽线的长与交指窄线的长相等；交指连接线的宽W₈＝0.4mm；两个交指谐振器之间的间距S₂＝0.505mm。双频滤波器的输入\输出部分采用耦合线的结构，耦合窄线的长L₅＝12.4mm，耦合窄线的宽W₉＝0.3mm；耦合宽线的长L₄＝13.2mm，耦合宽线的宽W₁₀＝1.4mm；耦合连接线的宽W₁₁＝0.5mm。耦合线与交指谐振器之间的间距S₁＝0.3mm。双频滤波器的输入端馈线的长度L₇＝8mm，输入端馈线的宽度W₇＝2.73mm。双频滤波器的输出端馈线的长度L₆＝6mm，输出端馈线的宽度W₆＝1.5mm。

金属接地板的长度L＝41.5mm、宽度W＝34.575mm；金属接地板上的矩形槽的长度L₈＝3mm，宽度W₁₂＝4.73mm。

根据上述具体实施方式，制作了一个双频滤波器天线样品，对其进行的S11测试结果显示在图5中，并与仿真结果进行比较。可以看出，测试的-10dB带宽在低频段2.38GHz-2.60GHz为220MHz，在5.13GHz-5.44GHz的高频段为310MHz。覆盖2.4-2.4835GHz和5.15-5.35GHz频段，可用于WLAN。

在2.45GHz和5.2GHz频段，对天线样品进行的方向图测试结果分别显示在图6和图7中，并与仿真结果进行比较。可以看出，设计的双频滤波器天线在方位面有偶极子形式的辐射方向图。

由于WLAN(无线局域网)只工作在2.45GH和5.2GHz这两个频段，因此本实施例仅以此为例说明，只要对滤波器天线的尺寸进行调整，其它频段也能实现。以上数据为本滤波器天线与50Ω输入阻抗匹配时的数据，若输入阻抗和频段发生变化，则滤波器天线的尺寸需要重新设计，这个没有明确的公式，需要在试验中进行调试，本发明的核心在于该滤波器天线的结构，只要该滤波器天线的结构确定，尺寸属于本领域技术人员能够通过有限次试验获得的。

Claims (1)

1.一种具有抗干扰特性的双频滤波器天线，其特征在于：它由单极子天线和双频滤波器构成，且整体印制于介质基片的正面；其中，

单极子天线包括一个单极子，单极子顶部加载有沿单极子轴对称的矩形环，单极子中部加载有沿单极子轴对称的2个内径为R的半圆环，其中一个半圆环为张角为α的开口环，另一个半圆环为闭口环，开口环的开口向上；

单极子天线的下端与位于双频滤波器顶部的滤波器输出端馈线连接；

双频滤波器为交指结构，由竖直的交指谐振器交叉设置而成，相邻的交指谐振器之间间距为S₂，交指谐振器由宽为W₄、长为L₃的交指宽线和宽为W₅、长为L₃的交指窄线连接而成，相同方向设置的交指谐振器的交指宽线通过宽为W₈的交指连接线连接；双频滤波器的两端设有与交指谐振器距离为S₁的耦合线，耦合线由宽为W₉、长为L₅的耦合窄线和宽为W₁₀、长为L₄的耦合宽线连接而成；双频滤波器的上下设有水平方向宽为W₁₁的耦合连接线，耦合连接线与耦合宽线连接；双频滤波器的输入端馈线与下方的耦合连接线连接，双频滤波器的输出端馈线与上方的耦合连接线连接；

所述的介质基片背面设有金属接地板，在单极子天线的下端对应的金属接地板处设有矩形槽。