CN105071028B - 无外加滤波电路的滤波贴片天线及其调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无外加滤波电路的滤波贴片天线及其调节方法。天线包括底部的金属反射地板、中间的馈电贴片和顶部的寄生贴片。所述的馈电贴片两侧各分布有短路探针，馈电贴片上开有U型槽，U型槽开口处的前方有一短路探针，U型槽闭合处的后方有一馈电点。顶部的寄生贴片间隔一定高度固定在馈电贴片的正上方。本发明自身具有滤波功能，无需外加滤波电路就实现了带通滤波特性，通带边缘陡峭，边带抑制明显，具有良好的频率选择性，可以抑制邻频干扰，实现了带通滤波特性和天线辐射功能的集成，并且在通带处具有较高的平坦增益，适用于WCDMA、4G‑LTE和无线局域网WLAN等移动通信场景。

Description

无外加滤波电路的滤波贴片天线及其调节方法

技术领域

本发明涉及无线移动通信领域的天线，特别涉及一种无外加滤波电路的滤波贴片天线及其调节方法。

背景技术

在无线通信领域中，人们为了充分使用系统所分配的频谱资源，一般将信道之间的频谱间隔设置得很小，另一方面，通信系统中有源器件的非线性作用会产生很多杂波，当杂波落入接收机通带范围内，便会造成邻频干扰。这对无线通信系统中射频前端的频率选择性提出了严苛的要求。在实际应用中，通信系统会进行功率控制，而且在射频前端还会加入带通滤波器模块滤除通带外的杂波，抑制邻频干扰。

而随着移动通信技术朝着多模块集成化以及单模块多功能化的方向进一步发展，在无线通信系统的射频前端有源部分已经实现了较高程度的集成，如功率放大器、混频器、频率合成器等已经实现了集成。但是无源部分，如滤波器、功分器、天线等，则由于相对较大的电尺寸难以实现多模块的集成。

目前，将滤波功能和辐射功能集成在一起形成滤波天线主要有四种方案，第一种是在天线的馈电网络中加入滤波结构，第二种是采用介质基片集成波导谐振腔结构，结合缝隙或微带线，第三种是在单极子辐射体上开槽形成超宽带陷波天线，第四种是利用金属腔体结合频率选择性表面的方法。公开号为CN201812933U的实用新型，《一体化滤波天线》，采用了第一种外加电路的方案，这样会带来外加的滤波损耗，而且整体实现体积较大；东南大学的研究团队采用第二种基于介质基片集成波导的方案做了一系列的滤波天线，但是都工作在10GHz以上的X频段（10GHz），Ku频段（14.4GHz），Ka频段（38GHz），并未出现适合工作在3GHz以下覆盖4G-LTE通信频段（如2.3-2.7GHz）和无线局域网WLAN通信频段（2.4GHz）的滤波天线；华南理工大学的发明专利，公开号CN102570020A，《一种矩形度良好和阻带带宽可控的超宽带陷波天线》，则采用了第三种方案实现了在UWB频段（3.1-10.6GHz）内具有带阻特性的滤波天线；而采用第四种方案，频率选择性表面容易造成天线辐射性能的恶化，并且腔体的电尺寸数倍于波长，导致天线尺寸较大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种无外加滤波电路的滤波贴片天线及其调节方法，该天线无需外加损耗电路就实现了带通滤波特性，通带边缘陡峭，边带抑制明显，具有良好的频率选择性，在通带内有良好的平坦增益。

本发明的目的通过如下技术方案实现。

一种无外加滤波电路的滤波贴片天线，包括位于底部的金属反射地板，位于中间的馈电贴片以及位于顶部的寄生贴片；所述馈电贴片两侧各分布有短路探针，馈电贴片上开有U型槽，U型槽开口处的前方也设有一短路探针，U型底部槽闭合处的后方设有一馈电点。

进一步地，金属反射地板为单独的金属底座，或金属反射地板是双面PCB电路板底部的金属镀层，双面PCB电路板为顶部为馈电贴片，具有矩形金属镀层的单面PCB电路板作为寄生贴片通过塑料螺丝间隔固定在双面PCB电路板的正上方。

调节所述一种无外加滤波电路的滤波贴片天线的方法，即通过调节馈电贴片和寄生贴片的大小和间距，使通带上侧频段的增益下降，在增益曲线通带的上侧频段产生一个零点，同时通过引入三个所述短路探针和U型槽，使通带下侧频段的增益下降，在增益曲线的通带下侧产生两个零点。

进一步的，增大馈电贴片和寄生贴片的大小，在增益曲线通带的上侧零点往下频移，减小馈电贴片和寄生贴片的间距，在增益曲线通带的上侧零点往下频移，并且可以获得更好的滚降特性，并且寄生贴片位于馈电贴片的正上方，形成引向器的作用，可以使滤波天线获得较高的增益；

上述方法中，通过调节馈电贴片和寄生贴片的大小和间距，通带上侧频段的增益迅速下降，在增益曲线通带的上侧频段产生一个零点，同时引入短路探针和U型槽，使通带下侧频段的增益迅速下降，在增益曲线的通带下侧产生两个零点；

进一步的，短路探针在低频段形成反相电流，使辐射抵消，在增益曲线通带的下侧产生一个零点，在馈电贴片两侧各增加一个短路探针，可以控制增益曲线通带的下侧零点往上频移，提高通带下侧频段的频率选择性。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

1.集成滤波特性和辐射特性，天线自身有滤波性能，通带边缘陡峭，边带抑制明显，具有良好的频率选择特性，无需外加滤波损耗电路，克服了采用外加滤波电路设计滤波天线时损耗大和体积大的缺点；

2.滤波通带可以覆盖WCDMA频段（1920MHz-2170MHz）、4G-LTE D频段（2300MHz-2700MHz）和无线局域网WLAN 2400MHz频段，并且通带增益平坦，可以实现较高增益，可应用于WCDMA、4G-LTE基站和无线局域网WLAN通信等场景，抑制邻频干扰，提高基站收发信机的性能；

3.具有带通滤波特性：引入短路探针和U型槽，使通带下侧频段的增益迅速下降，在增益曲线的通带下侧产生两个零点；同时调整寄生贴片到馈电贴片的高度以及寄生贴片和馈电贴片的大小，在增益曲线通带的上侧频段产生零点，这些零点共同作用产生带通滤波特性，克服了UWB陷波天线只能产生带阻滤波的特性；

4.整个结构主要由金属贴片、金属化过孔、介质板通孔和U型槽组成，结构简单，设计简便，可以采用廉价的PCB技术加工。

附图说明

图1是本发明滤波天线具体实施例1的分解结构示意图；

图2是本发明滤波贴片天线具体实施例1各部分的尺寸关系示意图；

图3是本发明滤波天线具体实施例1的S11-频率仿真结果图；

图4是本发明滤波天线具体实施例1的增益-频率仿真结果图；

图5是本发明滤波天线具体实施例1在2.5GHz，phi=0deg的辐射方向图；

图6是本发明滤波天线具体实施例1在2.5GHz，phi=90deg的辐射方向图；

图7是本发明滤波天线具体实施例2采用双面PCB板时天线的分解示意图；

图8是本发明滤波贴片天线具体实施例2各部分的尺寸关系示意图；

图9是本发明滤波天线具体实施例2的S11-频率仿真结果图；

图10是本发明滤波天线具体实施例2的增益-频率仿真结果图；

图11是本发明滤波天线具体实施例2在2.5GHz，phi=0deg的辐射方向图；

图12是本发明滤波天线具体实施例2在2.5GHz，phi=90deg的辐射方向图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术细节进行清晰、详尽的说明，所描述的实施例仅是本发明中的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都属于本发明的保护范围。

参阅图1，本发明无外加滤波电路的滤波贴片天线具体实施例1由底部的金属反射地板1、中间的馈电贴片2以及顶部的寄生贴片3组成。三者通过塑料螺丝8穿过各自四角开的通孔连接在一起固定。金属反射地板可以采用黄铜机械加工制成，馈电贴片和寄生贴片则可以采用相对介电常数ε_r=2.65，厚度是2-4mm的材料加工。

参阅图2，是本发明滤波贴片天线具体实施例1各部分的尺寸关系示意图，其中（a）为寄生贴片的俯视图，（b）是滤波贴片天线的侧视图，（c）滤波天线的俯视图馈电贴片2开有U型槽4，U型槽的长度L，宽度W，其作用是在天线通带边缘下侧产生一个凹陷频段，在增益曲线通带的下侧构造一个零点，增强带通滤波效果。

在U型槽开口处的前方有一短路探针5，其直径是D_via，距离贴片边缘S₁，短路探针采用金属化过孔技术，接通双面PCB电路板的顶部和底部。U型槽闭合处的后方有一馈电点7，该短路探针与馈电点位于馈电贴片双面PCB电路板的中轴线上，另有两短路探针6对称分布在U型槽的两边，短路探针改变电流分布，产生反相电流，可以在增益曲线通带边缘下侧产生另一个零点。

寄生贴片单面PCB电路板距离馈电贴片双面PCB电路板一定的高度，调节两个贴片的大小P₁、P₂和间距h₂，可以使通带内的辐射性能变好，通带上侧频段增益迅速下降，形成一个好的低通滤波效果；

以上三点使得天线本身具备了滤波性能，集成了滤波特性和辐射特性。

参阅图3的S11-频率仿真结果和图4的增益-频率仿真结果，可见在2.3-2.7GHz频段，S11在-10dB以下，实现了良好的匹配，具有矩形度良好的带通滤波特性，并且增益平坦，在2.5GHz接近10dBi，相对其他类型的贴片天线也实现了较高的增益。参阅图5和图6，该滤波天线在中心工作频点具有稳定的辐射方向图。

参阅图7，本发明无外加滤波电路的滤波贴片天线具体实施例2由双面PCB电路板和单面PCB电路板组成，其中双面PCB电路板顶部是馈电贴片，底部是金属反射地板，单面PCB电路板顶部是寄生贴片。具体实施例2中双面PCB电路板的边长是Gnd，整个底部镀有金属层作为反射地板。PCB电路板同样采用相对介电常数ε_r=2.65，厚度是2-4mm的材料加工。螺丝通孔开在了贴片的外围，单面PCB电路板和双面PCB电路板通过塑料螺丝固定，安装更加简单。

参阅图8，是本发明滤波贴片天线具体实施例2各部分的尺寸关系示意图，其中（a）为寄生贴片的俯视图，（b）是滤波贴片天线的侧视图，（c）滤波天线的俯视图。双面PCB电路板顶部的馈电贴片同样嵌有U型槽，U型槽的长度L，U型槽的宽度W，工作时也是在通带下侧边缘产生一个凹陷的频带，在增益曲线通带的下侧形成一个零点，增强滤波效果。

在U型槽开口前方设置一采用金属化过孔技术，直径D_via的短路探针，其距离贴片边缘D₁。馈电位置在U型槽闭合处的后方，馈电点与前面所述的短路探针位于双面PCB电路板的中轴线上，工作时该短路探针产生反相电流，在通带下侧形成另一凹陷的零点。另有两个大小相同的短路探针沿中轴线对称分布在U型槽的两肩部。

单面PCB电路板顶部贴片边长P₂，调整其到双面PCB电路板的距离h₂，可以在通带上侧产生一个凹陷的零点。

可见，具体实施例2相比具体实施例1少了金属反射地板，增大了双面PCB电路板的面积，使用双面PCB电路板底部的金属镀层实现反射地板的作用，并且螺丝通孔改设在了贴片的四周而没有直接开在贴片里面。但是两者采用的自有滤波结构仍然一致，产生的辐射零点数量也一致。

参阅图9，具体实施例2的滤波天线在2.3-2.7GHz频段依旧有两个谐振模式，并且S11依旧在-10dB以下，实现了工作频段的良好匹配。参阅图10，三个辐射零点处的增益均在-25dB以下，同样具有良好矩形度的带通滤波特性，通带边缘陡峭，边带抑制明显，频率选择性良好，并且增益平坦，在2.5GHz接近10dBi。参阅图11和图12，同样说明具体实施例2具有稳定的辐射方向图。

本发明提供的实施例与现有技术相比，具有如下优点：

集成滤波特性和辐射特性，天线自身有滤波性能，通带边缘陡峭，边带抑制明显，具有良好的频率选择特性，无需外加滤波损耗电路，克服了采用外加滤波电路设计滤波天线时损耗大和体积大的缺点；

滤波通带可以覆盖4G-LTE D频段（2.3-2.7GHz）和无线局域网WLAN 2.4GHz频段，并且通带增益平坦，可以实现较高增益，可应用于4G-LTE基站和无线局域网WLAN通信等场景，抑制邻频干扰，提高基站收发信机的性能；

具有带通滤波特性：引入短路探针和U型槽，使通带下侧频段的增益迅速下降，在增益曲线的通带下侧产生两个零点；同时调整寄生贴片到馈电贴片的高度以及寄生贴片和馈电贴片的大小，在增益曲线通带的上侧频段产生零点，这些零点共同作用产生带通滤波特性，克服了UWB陷波天线只能产生带阻滤波的特性；

整个结构主要由金属贴片、金属化过孔、介质板通孔和U型槽组成，结构简单，设计简便，可以采用廉价的PCB技术加工。

本发明提供的实施例应用于无线移动通信领域，可应用于各类无线通信系统的接收和发射设备中，由于本发明的滤波特性，特别适用于在开阔复杂的多频段多制式通信场景中，工作在WCDMA频段（1920MHz-2170MHz）和4G-LTE D频段（2300MHz-2700MHz）的基站天线，以及大型无线局域网WLAN 2400MHz AP。同时受益于滤波特性与辐射特性的集成，本发明也适用于无线移动通信系统设备的一体化和集成化，降低设计要求，提高通信设备抗邻频干扰的能力。

以上是对本发明无外加滤波电路的滤波贴片天线所提供具体实施例的详细描述。本文运用了具体实施例对本发明的设计、原理及实施方式进行阐述，帮助理解本发明的发明及其核心思想。综上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种无外加滤波电路的滤波贴片天线，其特征在于包括位于底部的金属反射地板，位于中间的馈电贴片以及位于顶部的寄生贴片；所述馈电贴片左右两侧各分布有短路探针，馈电贴片上开有U型槽，两个短路探针对称分布在U型槽的左右两边，U型槽开口处的前方也设有一短路探针，U型槽底部闭合处的后方设有一馈电点。

2.根据权利要求1所述的一种无外加滤波电路的滤波贴片天线，其特征在于金属反射地板为单独的金属底座，或金属反射地板是双面PCB电路板底部的金属镀层，双面PCB电路板顶部为馈电贴片，具有矩形金属镀层的单面PCB电路板作为寄生贴片通过塑料螺丝间隔固定在双面PCB电路板的正上方。

3.调节权利要求1所述一种无外加滤波电路的滤波贴片天线的方法，其特征在于通过调节馈电贴片和寄生贴片的大小和间距，使通带上侧频段的增益下降，在增益曲线通带的上侧频段产生一个零点，同时通过引入三个所述短路探针和U型槽，使通带下侧频段的增益下降，在增益曲线的通带下侧产生两个零点。

4.根据权利要求3所述的调节方法，其特征在于增大馈电贴片和寄生贴片的面积，使增益曲线通带的上侧零点往下频移，减小馈电贴片和寄生贴片的间距，使增益曲线通带的上侧零点往下频移。