CN106299671B - 双频带滤波天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种差分双频带滤波天线，包括第一基板；位于第一基板上表面上的第一辐射单元、第一馈线和插入第一馈线中的第一双频带滤波器；与第一基板相对的第二基板；位于第二基板下表面上的第二辐射单元、第二馈线和插入第二馈线中的第二双频带滤波器；位于第一基板下表面与第二基板上表面之间的H形接地板和引向器；两组辐射单元相对于第一和第二馈线对称布置，两组双频带滤波器重叠布置，并且两组双频带滤波器通过过孔连接至H形接地板。通过折叠构成双频带滤波器的谐振器和谐振器之间的耦合，可以在滤波天线的两个频带外引入辐射零点，很好地提高滤波天线的选择性，并且通过调整双频带滤波器插入到馈线的位置可以改善滤波天线的阻抗带宽。

Description

双频带滤波天线
技术领域
本发明涉及电磁兼容与天线技术领域，具体涉及一种双频带滤波天线。
背景技术
随着无线通信技术的迅速发展，对现代微波和无线通信系统提出了更高的要求，需要构成系统的各部分器件紧凑、成本低、功耗低，而且更为重要的是能够不受周围环境的影响。系统在处理模拟信号时，受到环境噪声和器件的电噪声的影响而导致系统的性能降低。另外，天线和滤波器作为射频前端的关键器件，性能的好坏和尺寸大小直接影响整个系统的总体性能和体积。将滤波器和天线协同设计，并且使其工作在无线局域网WLAN的两个工作频段2.4-2.4835GHz和5.25-5.85GHz显得尤为重要，这样可以减小系统体积、提升如通带增益、带外抑制特性等的系统性能。
发明内容
本发明提供一种能够抑制噪声、改善阻抗特性并展宽带宽的双频带滤波天线。
根据本发明实施例的双频带滤波天线包括：第一基板；位于所述第一基板的上表面上的第一辐射单元、第一双频带滤波器和第一馈线，所述第一双频带滤波器插入所述第一馈线中；与所述第一基板相对的第二基板；位于所述第二基板的下表面上的第二辐射单元、第二双频带滤波器和第二馈线，所述第二双频带滤波器插入所述第二馈线中，所述第一馈线与所述第二馈线重合；位于所述第一基板的下表面与所述第二基板的上表面之间的H形接地板和引向器，所述第一辐射单元与所述第二辐射单元相对于所述第一馈线和所述第二馈线对称布置，所述第一双频带滤波器与所述第二双频带滤波器重合布置，并且所述第一双频带滤波器和所述第二双频带滤波器通过穿过所述第一基板和所述第二基板的过孔连接至所述H形接地板的所述横向部分。
所述第一双频带滤波器和所述第二双频带滤波器中的每一个包括：两个对称布置的第一1/4波长阶跃阻抗谐振器和两个对称布置的第二1/4波长阶跃阻抗谐振器。
所述第一1/4波长阶跃阻抗谐振器包括第一窄段微带线和第一宽段微带线，所述第一宽段微带线沿第一方向延伸，所述第一窄段微带线依次包括沿与所述第一方向垂直的第二方向延伸的第一段、平行于所述第一方向朝向所述第一宽段微带线一侧延伸的第二段、平行于所述第二方向朝向所述第一宽段微带线延伸的第三段以及平行于所述第一方向朝向所述第一段延伸的第四段，所述第四段的长度小于所述第二段的长度，所述第二段的长度小于所述第一宽段微带线的长度，并且所述第三段的长度小于所述第一段的长度；所述第二1/4波长阶跃阻抗谐振器包括第二窄段微带线和第二宽段微带线，所述第二宽段微带线沿所述第一方向延伸，所述第二窄段微带线包括沿所述第二方向延伸的第一段以及平行于所述第一方向朝向所述第二宽段微带线一侧延伸的第二段，所述第二窄段微带线的第二段的长度小于所述第二宽段微带线的长度；并且所述第二1/4波长阶跃阻抗谐振器的第二宽段微带线与所述第一1/4波长阻抗阶跃谐振器的第一宽段微带线平行布置，并且所述第二窄段微带线的第一段与所述第一窄段微带线的第三段邻近布置。
所述过孔穿过所述第一宽段微带线的没有连接至所述第一窄段微带线连接的末端和所述第二宽段微带线的没有连接至所述第二窄段微带线的末端。
所述H形接地板的竖直部分平行于所述第一方向。
所述第一辐射单元和所述第二辐射单元中的每一个包括平行于所述第一方向的长偶极子和短偶极子。
所述长偶极子的一端进行朝向所述第一双频带滤波器和所述第二双频带滤波器的两次90度向内弯折。
附图说明
图1是根据本发明实施例的双频带滤波天线的结构示意图；
图2是图1所示双频带滤波天线中的双频带滤波器的仰视图和俯视图；
图3是图1所示双频带滤波天线中的辐射单元的结构示意图；
图4示出根据本发明实施例的双频带滤波天线的S11的频率特性；
图5a和图5b示出根据本发明实施例的双频带滤波天线的两个频带的频率特性；并且
图6a和图6b示出根据本发明实施例的双频带滤波天线的两个频带内的辐射特性。
具体实施方式
以下参考附图详细描述根据本发明实施例的双频带滤波天线。
图1是根据本发明实施例的双频带滤波天线的结构示意图。如图1所示，根据本发明实施例的双频带滤波天线包括第一基板151和与第一基板151相对的第二基板152。第一基板151的上表面上形成有第一辐射单元121、第一双频带滤波器111和第一馈线101，第一双频带滤波器111插入第一馈线101中。第二基板152的下表面上形成有第二辐射单元122、第二双频带滤波器112和第二馈线102，第二双频带滤波器112插入在第二馈线102中。
第一馈线101与第二馈线102彼此重合。第一双频带滤波器111和第二双频带滤波器112也重叠布置，并通过穿过第一基板151和第二基板152的过孔连接至H形接地板14的横向部分。第一辐射单元121和第二辐射单元122相对于馈线101和102对称布置。
第一基板151和第二基板152可以是由绝缘材料形成的介质基板。作为一个示例，第一基板151和第二基板152可以是环氧玻璃纤维板，其介电常数是4.4，并且厚度为0.8mm。本领域技术人员可以理解，这仅仅是一个示例，第一基板151和第二基板152都可以采用其他材料，本领域技术人员可以根据具体需要进行具体的选择。
第一辐射单元121、第一双频带滤波器111、第二辐射单元122、第二双频带滤波器112以及馈线101和102可以是形成在介质基板的表面上的导电材料。作为一个示例，第一辐射单元121、第一双频带滤波器111、第二辐射单元122、第二双频带滤波器112以及馈线101和102可以由35μm厚的铜箔形成在介质基板的表面上。
H形接地板14形成在第一基板151的下表面与第二基板152的上表面之间接地板14可以是H形接地板。H形接地板14的竖直部分平行于辐射单元121和122，其横向部分与连接双频带滤波器111和112的过孔相连接。H形接地板充当辐射单元121和122的反射器。
根据本发明实施例的双频带滤波天线还包括位于第一基板151的下表面与第二基板152的上表面之间的引向器13。引向器13位于辐射单元121和122的与双频带滤波器111和112相对的一侧上，平行于辐射单元121和122。
第一辐射单元121、第一馈线101、H形接地板14与引向器13构成第一端射天线。第二辐射单元122、第二馈线102、H形接地板14与引向器13一起构成第二端射天线。H形接地板既作为第一天线和第二天线的反射器，又充当双频带滤波器111和112的接地板。
引向器13与充当反射器的H形接地板一起用于改善根据本发明实施例的双频带滤波天线的增益。
根据图1所示的双频带滤波天线，将馈线101和102、双频带滤波器111和112以及辐射单元121和122蚀刻在介质基板151和152的上下表面，形成双边平行带线结构，在基板151和152之间插入引向器13和H形接地板14，使根据本发明实施例的双频带滤波天线能够工作在差分模式。将双频带滤波器111和112分别插入辐射单元121和122的馈线101和102中，改善了根据本发明实施例的双频带滤波天线的选择性和阻抗带宽。
因此，根据本发明实施例，通过以差分方式将双频带滤波器插入辐射单元的馈线上，抑制了噪声，改善了双频带滤波天线的阻抗特性，提高了滤波天线的带宽，使得该滤波天线可以工作在WLAN的2.21GHz-2.63GHz的第一频带和5.21GHz-6.39GHz的第二频带，第一频带的带宽达到了420MHz，并且第二频带的带宽达到和1180MHz，可以满足无线局域网WLAN的两个频段要求。
H形接地板14既作为第一端射天线和第二端射天线的反射器，又充当双频带滤波器111和112的接地板，从而实现了双频带滤波天线的紧凑、低成本、低功耗的设计。
图2是图1所示双频带滤波天线中的双频带滤波器的仰视图和俯视图。由于在垂直于基板151和152的表面的方向上看，布置在第一基板151上表面上的第一双频带滤波器111与布置在第二基板152下表面上的第二双频带滤波器112重叠，因此双频带滤波器的仰视图和俯视图相同。
如图2所示，双频带滤波器111和112中的每一个都包括两个对称布置的第一1/4波长阶跃阻抗谐振器21和两个对称布置的第二1/4波长阶跃阻抗谐振器22。
下面以右半部分为例进行详细说明。第一1/4波长阶跃阻抗谐振器21包括沿第一方向延伸的第一宽段微带线210以及向内进行四次90度弯折的第一窄段微带线211。第一窄段微带线211依次包括沿与第一方向垂直的第二方向延伸的第一段2111、平行于第一方向朝向第一宽段微带线210一侧延伸的第二段2112、平行于第二方向朝向第一宽段微带线210延伸的第三段2113以及平行于第一方向朝向第一段2111延伸的第四段2114。第四段2114的长度小于第二段2112的长度，第二段2112的长度小于第一宽段微带线210的长度，并且第三段2113的长度小于第一段2111的长度。通过调整第一宽段微带线210和第一窄段微带线211的长度和宽度可以使第一1/4波长阶跃阻抗谐振器21的基本谐振频率和第一杂散频率工作在预设的两个频段。也就是说，第一宽段微带线210的长度和宽度、第一窄段微带线211的总长度和宽度以及第一窄段微带线211各段的长度可以根据期望的双频带滤波天线的第一频带和第二频带来确定。
依然以右半部分为例，第二1/4波长阻抗阶跃谐振器22包括沿第一方向延伸的第二宽段微带线220以及向内进行两次90度弯折的第二窄段微带线221。第二窄段微带线221包括沿第二方向延伸的第一段2211以及平行于第一方向朝向第二宽段微带线220一侧延伸的第二段2212。第二窄段微带线221的第二段2212的长度小于第二宽段微带线220的长度。通过调整第二宽段微带线220和第二窄段微带线221的长度和宽度可以使第二1/4波长阶跃阻抗谐振器22的基本谐振频率工作在第二频带。也就是说，第二宽段微带线220的长度和宽度、第二窄段微带线221的总长度和宽度以及第二窄段微带线221各段的长度可以根据期望的双频带滤波天线的第二频带来确定。
第二1/4波长阻抗阶跃谐振器22布置在第一1/4波长阻抗阶跃谐振器21的内侧。具体地说，两个第二1/4波长阻抗阶跃谐振器22的第二宽段微带线220与两个第一1/4波长阻抗阶跃谐振器21的第一宽段微带线210平行布置，并且布置在两个第一1/4波长阻抗阶跃谐振器21的第一宽段微带线210的内侧。第二1/4波长阻抗阶跃谐振器22的第二窄段微带线221的第一段2211与第一1/4波长阻抗阶跃谐振器21的第一窄段微带线211的第三段2113邻近布置。
H形接地板14充当双频带滤波器111和112的接地板。用于将双频带滤波器111和112连接至H形接地板14的过孔穿过第一1/4波长阻抗阶跃谐振器21的第一宽段微带线210的没有连接至第一窄段微带线211的末端和第二1/4波长阻抗阶跃谐振器22的第二宽段微带线220的没有连接至第二窄段微带线221的末端。
通过调整第一1/4波长阶跃阻抗谐振器21的阻抗比和长度比可以使得其谐振在第一频带和第二频带，通过调整第二1/4波长阶跃阻抗谐振器22的阻抗比和长度比可以使得其谐振在第二频带。将第一1/4波长阶跃阻抗谐振器21进行四次90度向内弯折的结构折叠，在内部形成一个反馈，使得在第一频带外的某些频率的信号在结构内部互相抵消，这样耦合到输出的信号就会变弱，从而在第一频带的外部引入辐射零点，提高了滤波天线在第一频带的带外抑制特性，由此提高了选择性。辐射零点的频率与折叠的长度有关，具体是与第一窄段微带线211的第四段2114的长度有关。
另外，将第二1/4波长阶跃阻抗谐振器22嵌入第一1/4波长阶跃阻抗谐振器21内部，引入交叉耦合，能够在第二频带的外部引入两个辐射零点，提高了滤波天线在第二频带的带外抑制特性，由此改善第二频带的选择性。
通过调整第一1/4波长阶跃阻抗谐振器21和第二1/4波长阶跃阻抗谐振器22之间的耦合缝隙和双频带滤波器111和112插入到馈线101和102中的位置可以大大的改善滤波天线的阻抗带宽。
图3是图1所示双频带滤波天线中的端射天线的结构示意图。如图3所示，端射天线包括构成第一辐射单元121的长偶极子1211和短偶极子1212、构成第二辐射单元的长偶极子1221和短偶极子1222、引向器13、H形接地板14以及馈线101和102。
第一馈线101、长偶极子1211和短偶极子1212位于第一基板151的上表面上，第二馈线102、长偶极子1221和短偶极子1222位于第二基板152的下表面上，H形接地板14和引向器13位于第一基板151的下表面与第二基板152的上表面之间。第一馈线101、第二馈线102以及H形接地板14的横向部分重合在一起。第一辐射单元121的长偶极子1211和短偶极子1212与第二辐射单元122的长偶极子1221和短偶极子1222相对于馈线101和102对称地分别设置在第一基板151的上表面和第二基板152的下表面上。
H形接地板14充当端射天线的反射器。
长偶极子1211和1221谐振在第一频带，通过朝向双频带滤波器一侧的两次90度向内弯折，可以减小辐射单元121和122的尺寸。短偶极子1212和1222谐振在第二频带。
引向器13位于天线的端射方向上，并且位于第一基板151与第二基板152之间，从而与H形接地板14一起共同改善天线的增益。
图4示出根据本发明实施例的双频带滤波天线的S11的频率特性。在图4中，横坐标代表频率变量，单位为GHz，纵坐标代表幅度变量，单位为dB。如图4所示，在回波损耗不高于-10dB的情形下，第一工作频带的频率范围为2.21GHz-2.63GHz，第二工作频带的频率范围为5.21GHz-6.39GHz。第一频带的带宽达到了420MHz，并且第二频带的带宽达到1180MHz，比现有的滤波天线的带宽都要宽，可以满足无线局域网WLAN的两个频段要求。
图5a和图5b示出根据本发明实施例的双频带滤波天线的两个频带的频率特性。在图5a和图5b中，横坐标代表频率变量，单位为GHz，纵坐标代表幅度变量，单位为dBi。如图5a所示，第一频带的增益最大可以达到3.3dBi。如图5b所示，第二频带的增益最大可达到3.3dBi。两个频带内增益相对比较平坦。而且从图5a和图5b可以看出，由于在馈线中插入了滤波器，使得在2.05GHz、4.75GHz和6.95GHz产生了3个辐射零点，提高了双频带滤波天线的选择性。
图6a和图6b示出根据本发明实施例的双频带滤波天线的两个频带内的辐射特性。图6a是在2.45GHz的方向图，图6b是在5.5GHz的方向图。如图6a和图6b所示，两个频率上的辐射方向都是朝着引向器的方向辐射。
综上所述，根据本发明实施例的双频带滤波天线具有以下优点：
1、将馈线101和102、双频带滤波器111和112以及辐射单元121和122蚀刻在介质基板151和152的上下表面，形成双边平行带线结构，使根据本发明实施例的双频带滤波天线能够工作在差分模式，从而抑制了噪声。
2、将双频带滤波器111和112分别插入辐射单元121和122的馈线101和102中，改善了根据本发明实施例的双频带滤波天线的选择性和阻抗带宽。
3、H形接地板14既作为第一端射天线和第二端射天线的反射器，又充当双频带滤波器111和112的接地板，从而实现了双频带滤波天线的紧凑、低成本、低功耗的设计。
4、将双频带滤波器中工作在两个频带的两个第一1/4波长阶跃阻抗谐振器21进行四次90度向内弯折的结构折叠，在第一频带的外部引入辐射零点，提高了双频带滤波天线在第一频带的带外抑制特性，由此提高了第一频带的选择性。
5、将双频带滤波器中的两个第二1/4波长阶跃阻抗谐振器22嵌入第一1/4波长阶跃阻抗谐振器21内部，引入交叉耦合，能够在第二频带的外部引入两个辐射零点，提高了双频带滤波天线在第二频带的带外抑制特性，由此改善第二频带的选择性。

Claims (1)

1.一种双频带滤波天线，其特征在于，包括：
第一基板；
位于所述第一基板的上表面上的第一辐射单元、第一双频带滤波器和第一馈线，所述第一双频带滤波器插入所述第一馈线中；
与所述第一基板相对的第二基板；
位于所述第二基板的下表面上的第二辐射单元、第二双频带滤波器和第二馈线，所述第二双频带滤波器插入所述第二馈线中，所述第一馈线与所述第二馈线重合；
位于所述第一基板的下表面与所述第二基板的上表面之间的H形接地板和引向器；
所述第一辐射单元与所述第二辐射单元相对于所述第一馈线和所述第二馈线对称布置，所述第一双频带滤波器与所述第二双频带滤波器重叠布置，并且
所述第一双频带滤波器和所述第二双频带滤波器通过穿过所述第一基板和所述第二基板的过孔连接至所述H形接地板的横向部分；
所述第一双频带滤波器和所述第二双频带滤波器中的每一个包括：两个对称布置的第一1/4波长阶跃阻抗谐振器和两个对称布置的第二1/4波长阶跃阻抗谐振器；
所述第一1/4波长阶跃阻抗谐振器包括第一窄段微带线和第一宽段微带线，所述第一宽段微带线沿第一方向延伸，所述第一窄段微带线依次包括沿与所述第一方向垂直的第二方向延伸的第一段、平行于所述第一方向朝向所述第一宽段微带线一侧延伸的第二段、平行于所述第二方向朝向所述第一宽段微带线延伸的第三段以及平行于所述第一方向朝向所述第一段延伸的第四段，所述第四段的长度小于所述第二段的长度，所述第二段的长度小于所述第一宽段微带线的长度，并且所述第三段的长度小于所述第一段的长度；
所述第二1/4波长阶跃阻抗谐振器包括第二窄段微带线和第二宽段微带线，所述第二宽段微带线沿所述第一方向延伸，所述第二窄段微带线包括沿所述第二方向延伸的第一段以及平行于所述第一方向朝向所述第二宽段微带线一侧延伸的第二段，所述第二窄段微带线的第二段的长度小于所述第二宽段微带线的长度；并且
所述第二1/4波长阻抗阶跃谐振器的第二宽段微带线与所述第一1/4波长阶跃阻抗谐振器的第一宽段微带线平行布置，并且所述第二窄段微带线的第一段与所述第一窄段微带线的第三段邻近布置；
所述过孔穿过所述第一宽段微带线的没有连接至所述第一窄段微带线连接的末端和所述第二宽段微带线的没有连接至所述第二窄段微带线的末端；
所述H形接地板的竖直部分平行于所述第一方向；
所述第一辐射单元和所述第二辐射单元中的每一个包括平行于所述第一方向的长偶极子和短偶极子；
所述长偶极子的一端进行朝向所述第一双频带滤波器和所述第二双频带滤波器的两次90度向内弯折；
所述第一基板和第二基板是环氧玻璃纤维板，其介电常数是4.4，并且厚度为0.8mm。
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