CN105428802B - 一种具有滤波特性的宽带缝隙天线 - Google Patents
一种具有滤波特性的宽带缝隙天线 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开的一种具有滤波特性的宽带缝隙天线，包括电介质基板、在电介质基板上表面金属箔形成的微带结构、在电介质基板下表面金属箔形成的地、在地中设置凹槽而形成的缝隙结构，以及在电介质基板中设置上下贯通的金属过孔，所述金属过孔同时经过微带结构和地，所述微带结构包括微带馈电结构和微带谐振器结构两大结构。微带馈电结构将能量耦合到微带谐振器结构，使微带谐振器结构产生多个谐振模激励缝隙辐射结构，从而同时达到拓展带宽和具有滤波特性的目的。本发明的宽带缝隙天线，其结构简单、重量轻、易于加工制作，适用于多种无线终端中。
Description
技术领域
本发明涉及平面天线领域，特别涉及一种具有滤波特性的宽带缝隙天线。
背景技术
一款设计合理的高性能天线，在收发信号的同时，可以有效的控制电磁能空间分布，优化网络质量，提高系统容量，进而大幅提高系统整体性能。而微波滤波器起着选择信号、衰减噪声、滤除镜频干扰等作用。将天线与滤波器进行集成，设计成一个模块，构成滤波天线，不仅可以减小天线滤波器系统的尺寸面积，而且更加有利于封装集成，能够有效减小系统三维封装尺寸与重量，进一步实现无线通信系统的小型化设计。
缝隙天线，较为常见的是微带缝隙天线，因具有共面结构体积小重量轻以及易于与其他元器件集成的良好性质，微带缝隙天线常常被用于无线通信终端上。而在现有的缝隙天线结构中，一方面其工作带宽一般较窄，仍存在很大的改进空间，另一方面，这些缝隙天线基本缺乏良好的滤波特性，因而实际应用在系统中时往往需要级联一个滤波器，从而大大提高系统的重量以及体积。
2009年，M.Gopikrishna等人在"Microwave and optical technology letters"上发表题为"DESIGN OF A MICROSTIP FED STEP SLOT ANTENNA FOR UWB COMMUNICATION"文章，文章一方面将传统的均匀阻抗缝隙改进为阶跃阻抗缝隙，另一方面馈电结构也改进为1/4波长微带馈电，这双重的优化大大的提高了天线的工作带宽，但是天线始终缺乏良好的滤波特性。
2012年，X.D.Huang等人在"IEEE Transaction on Antennas and propagation"上发表题为"An Ultrawideband(UWB)Slotline Antenna Under Multiple-ModeResonance"文章。一方面，文章参考滤波器设计中的多模谐振理念，对天线的缝隙结构进行改进，激励出多个谐振模从而大大地提高了天线的工作带宽，但缺点仍是缺乏良好的滤波特性。
2013年，王世伟人等申请了发明名称为“一种采用短路引线的平面超宽带滤波天线”，申请号为201310118467.1专利，专利中单极子天线(不属于缝隙天线领域)配合着巧妙的短路引线结构，天线工作带宽得到了提升，同时也具有较好的滤波特性。
因此在已公开的平面缝隙天线中，难以看见一款既有宽带宽又有滤波特性的缝隙天线，有必要设计一款克服该缺点的高性能缝隙天线来满足人们的需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出一种具有滤波特性的宽带缝隙天线，其结构简单、重量轻、易于加工制作，适用于多种无线终端中。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种具有滤波特性的宽带缝隙天线，包括电介质基板、在电介质基板上表面金属箔形成的微带结构、在电介质基板下表面金属箔形成的地以及在地中设置凹槽而形成的缝隙结构；
所述微带结构包括微带馈电结构以及第一微带谐振器结构，第一微带谐振器结构与微带馈电结构以耦合的方式连接，第一微带谐振器结构的长度为1/2波长；
所述缝隙结构包括第一缝隙结构，其长度为1/2波长，垂直于第一微带谐振器结构。
所述微带结构还包括第二微带谐振器结构，第二微带谐振器结构与第一微带谐振器结构的中心垂直设置且第二微带谐振器结构在第一微带谐振器结构的一侧。第二微带谐振器结构与第一微带谐振器结构的该种设置可以使天线额外产生一个谐振模式，从而拓宽工作带宽。
所述第二微带谐振器结构的长度为1/4波长。
所述微带结构还包括第三微带谐振器结构、金属过孔，其中第三微带谐振器结构与第一微带谐振器结构垂直，金属过孔设置在第三微带谐振器结构远离第一微带谐振器结构的一端。第三微带谐振器结构与第一微带谐振器结构的该种设置可以使天线额外产生两个谐振模式，从而进一步拓宽工作带宽。
所述第三微带谐振器结构的长度为1/4波长。
所述缝隙结构还包括第二缝隙结构，第二缝隙结构处于微带馈电结构和第一微带谐振器结构耦合处的下方。设置第二缝隙结构的目的是为了提高耦合强度。
所述微带馈电结构为不等长双指馈电结构。目的是在通带外额外产生一个传输零点，从而提高通带的选择性。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1.本发明所述的缝隙天线相对于传统的缝隙天线具有更宽的工作带宽。
2.本发明所述的缝隙天线在没有级联滤波器的情况下具有很好的滤波特性。
3.本发明所述的缝隙天线设计简单，体积小，成本低，平面结构易于集成，可以应用于多种无线通信终端上。
附图说明
图1是本发明实施例1具有滤波特性的宽带缝隙天线的竖截面剖视图。
图2是本发明实施例1具有滤波特性的宽带缝隙天线的二维结构示意图。
图3是本发明实施例1和实施例2具有滤波特性的宽带缝隙天线的底层示意图。
图4是本发明实施例2具有滤波特性的宽带缝隙天线的竖截面剖视图。
图5是本发明实施例2具有滤波特性的宽带缝隙天线的二维结构示意图。
图6是本发明实施例1具有滤波特性的宽带缝隙天线的|S11|和增益仿真结果图。
图7是本发明实施例2具有滤波特性的宽带缝隙天线的|S11|和增益仿真结果图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明的缝隙天线整体制作在双面覆铜的介质基板上，使用机械刻制、激光刻制、电路板腐蚀等技术均可容易地制作。本发明的核心内容在于通过使用具有多模特性的谐振器激励天线的缝隙辐射体，使得天线一方面提升工作带宽，另一方面具有良好的滤波特性。
本发明的缝隙天线以印刷电路板的方式制作在介电常数为2.55，厚度为0.8mm的聚四氟乙烯双面覆铜微带板上，结构如图1、2、3、4、5所示，有2个实施例。
实施例1
图1、2、3为该缝隙天线的竖截面剖视图、二维结构示意图以及底层示意图，包括电介质基板10、电介质基板10上表面金属箔形成的微带结构11、基板10下表面金属箔形成的地12，以及在地12中挖槽而形成的缝隙结构13。微带结构11包括了微带馈电结构111、第一微带谐振器结构112以及第二微带谐振器结构113，缝隙结构13包括第一缝隙结构131、第二缝隙结构132。第一微带谐振器结构112长度为1/2波长，第二微带谐振器结构113长度约为1/4波长，第二微带谐振器结构113置于第一微带谐振器结构112中心并与后者垂直。第一缝隙结构131与第一微带谐振器结构112垂直放置，长度为1/2波长。第二缝隙结构132是为了提高耦合强度，位置处于微带馈电结构111和第一微带谐振器结构112耦合处的下方，参数由仿真优化决定。
整个天线的工作方式是电磁信号从微带馈电结构111端口处输入，能量耦合到微带谐振器结构，再由微带谐振器结构耦合到缝隙结构131，最后经由缝隙结构131形成的天线单元辐射出去，接收信号的方式则相反。
图6是实施例1具有滤波特性的宽带缝隙天线的|S11|和增益仿真结果，该缝隙天线10dB反射损耗范围为3.8GHz到5.9GHz，相对带宽达到了43.3％。天线平均增益为6dBi左右，由图也可见，天线具有高选择性、高带外抑制性以及较为平缓的带内增益特性。整个天线大小为65mm×50mm，即0.82λ0×0.63λ0，λ0为最低频率3.8GHz处的自由空间波长。
实施例2
图4、5分别为该缝隙天线的竖截面剖视图、二维结构示意图，在实施例1的基础上增加了电介质基板10中的金属过孔14，同时第三微带谐振器结构114替代了实施例中的第二微带谐振器结构113。第三微带谐振器结构114的长度约为1/4波长，第三微带谐振器结构114与第一微带谐振器结构112垂直。金属过孔14置于第三微带谐振器结构114远离第一微带谐振器结构112的一端边缘。
图7是实施例2具有滤波特性的宽带缝隙天线的|S11|和增益仿真结果，该缝隙天线10dB反射损耗范围为4.0GHz到6.4GHz，相对带宽达到了46.2％，较实施例1的相对带宽增加了约3个百分点。天线平均增益为6dBi左右，实施例2与实施例1同样的，具有高选择性、高带外抑制性以及较为平缓的带内增益特性。整个天线大小同样为65mm×50mm。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种具有滤波特性的宽带缝隙天线，其特征在于：包括电介质基板、在电介质基板上表面金属箔形成的微带结构、在电介质基板下表面金属箔形成的地以及在地中设置凹槽而形成的缝隙结构；
所述微带结构包括微带馈电结构以及第一微带谐振器结构，第一微带谐振器结构与微带馈电结构以耦合的方式连接，第一微带谐振器结构的长度为1/2波长；
所述缝隙结构包括第一缝隙结构，其长度为1/2波长，垂直于第一微带谐振器结构；
所述微带结构还包括第二微带谐振器结构或者第三微带谐振器结构、金属过孔，当微带结构还包括第二微带谐振器结构时，第二微带谐振器结构与第一微带谐振器结构的中心垂直设置且第二微带谐振器结构在第一微带谐振器结构的一侧；当微带结构还包括第三微带谐振器结构、金属过孔时，第三微带谐振器结构与第一微带谐振器结构垂直，金属过孔设置在第三微带谐振器结构远离第一微带谐振器结构的一端。
2.根据权利要求1所述的具有滤波特性的宽带缝隙天线，其特征在于：所述第二微带谐振器结构的长度为1/4波长。
3.根据权利要求1所述的具有滤波特性的宽带缝隙天线，其特征在于：所述第三微带谐振器结构的长度为1/4波长。
4.根据权利要求1所述的具有滤波特性的宽带缝隙天线，其特征在于：所述缝隙结构还包括第二缝隙结构，第二缝隙结构处于微带馈电结构和第一微带谐振器结构耦合处的下方。
5.根据权利要求1所述的具有滤波特性的宽带缝隙天线，其特征在于：所述微带馈电结构为不等长双指馈电结构。
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