CN106340702A - 一种新型高增益wlan双频滤波天线 - Google Patents

一种新型高增益wlan双频滤波天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型高增益WLAN双频滤波天线，所述滤波天线包括：上介质基板层、下介质基板层以及位于所述上介质基板层和所述下介质基板层中间的用于共用接地的地板层，所述下介质基板层上印制有一个伪交指SIR双频滤波器，所述上介质基板层上印制有一个贴片辐射天线，所述地板层上开设有一个缝隙，信号经过所述伪交指SIR双频滤波器后通过所述缝隙耦合到所述贴片辐射天线上进行辐射传播。该天线采用缝隙耦合方式的双频滤波天线，具有高增益、增益矩形度良好的优点，克服传统无线通信系统设计尺寸大的缺点，具有体积小，成本低的特点，而且，其中双频滤波设计简单。

Description

一种新型高增益WLAN双频滤波天线
技术领域
本发明涉及滤波天线技术领域，具体涉及一种新型高增益WLAN双频滤波天线。
背景技术
天线和滤波器是无线通信系统的两个重要器件，在传统的无线通信系统设计中，天线和滤波器是分开设计，再由50Ω传输线连接，这样不仅使得整个系统的尺寸很大，同时也造成了更多的系统损耗。
近年来，学者们提出滤波天线的概念，即把天线和滤波器集成为一个器件，其不仅具有滤波器的滤波功能，同时还具有天线的辐射功能。滤波天线的设计减少传统设计中的滤波器和天线间的匹配电路，降低系统的复杂度，减小系统的尺寸，使得整个系统变得更加紧凑。
2011年，Chao-Tang Chuang和Shyh-Jong Chung在“IEEE TRANSACTIONS ONANTENNAS AND PROPAGATION”发表题为“Synthesis and Design of a New PrintedFiltering Antenna”的文章中，较早地提出关于滤波天线的研究。文章采用传统的平行耦合线滤波器结构，在此基础上，在滤波器的尾端增加了一个倒L形的天线，实现了很好的增益矩形度，中心频率在2.45GHz。天线结构如图1所示。
2015年，C.X.Mao,S.Gao,Z.P.Wang,Y.Wang,F.Qin,B.Sanz-Izquierdo,Q.X.Chu等人在“the project“DIFFERENT”funded by EC FP7”发表题为“Integrated Filtering-Antenna with Controllable Frequency Bandwidth”的文章中，采用了缝隙耦合的方式，将滤波器和天线放置在介质板的不同层面上，有效减小了整个结构的横截面尺寸，实现工作频率2.4GHz，带宽可控的滤波天线。
2015年，Chin-Yuan Hsieh,Cheng-Hsun Wu,和Tzyh-Ghuang Ma等人在“theproject“IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS”发表题为“A CompactDual-Band Filtering Patch Antenna Using Step Impedance Resonators”的文章中提出了一种介于SIR的双频滤波天线结构，工作频段在2.4/5.8GHz。
但是，目前滤波天线的研究主要是针对单一频段，双频或多频滤波天线报到较少。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种新型高增益WLAN双频滤波天线，该双频滤波天线采用缝隙耦合方式，具有高增益，良好增益矩形度，能够满足小型化，低成本的要求。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种新型高增益WLAN双频滤波天线，所述滤波天线包括：上介质基板层、下介质基板层以及位于所述上介质基板层和所述下介质基板层中间的用于共用接地的地板层，
所述下介质基板层上印制有一个伪交指SIR双频滤波器，所述上介质基板层上印制有一个贴片辐射天线4，所述地板层上开设有一个缝隙3，信号经过所述伪交指SIR双频滤波器后通过所述缝隙3耦合到所述贴片辐射天线4上进行辐射传播。
进一步地，所述伪交指SIR双频滤波器包括：第一SIR谐振器2a、第二SIR谐振器2b、第一双指耦合结构1a和第二双指耦合结构1b，
其中，所述第一SIR谐振器2a和所述第二SIR谐振器2b均由特征阻抗不同的高、低阻抗线组成，呈U字型，并且两者的U字型的开口方向为交叉相对的；
所述第一双指耦合结构1a和所述第二双指耦合结构1b用于耦合馈电，信号由所述第一双指耦合结构1a馈电输入，经过所述第一SIR谐振器2a和所述第二SIR谐振器2b耦合后，由所述第二双指耦合结构1b输出。
进一步地，所述第一双指耦合结构1a和所述第二双指耦合结构1b的特性阻抗均为50欧姆。
进一步地，所述第一SIR谐振器2a和所述第二SIR谐振器2b均由位于中间的高阻抗线与分别位于所述高阻抗线两端的低阻抗线垂直连接构成。
进一步地，所述第一双指耦合结构1a和所述第二双指耦合结构1b均由U型微带线与位于所述U型微带线底部的直线型微带线垂直连接构成，并且所述U型微带线的开口方向与所述直线型微带线的延伸方向相反。
进一步地，所述第一SIR谐振器2a中外侧的低阻抗线位于所述第一双指耦合结构1a的U型微带线的U型凹槽内，同时，所述第二SIR谐振器2b中外侧的低阻抗线位于所述第二双指耦合结构1b的U型微带线的U型凹槽内。
进一步地，所述缝隙3位于所述第二双指耦合结构1b的上方，所述贴片辐射天线4位于所述第二双指耦合结构1b和所述缝隙3的上方。
进一步地，所述缝隙3为矩形。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1)本发明公开的一种新型高增益WLAN双频滤波天线克服传统无线通信系统设计尺寸大的缺点，具体体积小，成本低的特点，而且，其中双频滤波设计简单。
2)本发明公开的一种新型高增益WLAN双频滤波天线采用缝隙耦合方式的双频滤波天线，具有具有高增益、增益矩形度良好的优点。
附图说明
图1是现有技术中的滤波天线结构示意图；
图2是本发明中公开的新型高增益WLAN双频滤波天线的立体分离结构图；
图3是本发明中公开的新型高增益WLAN双频滤波天线的俯视图；
图4是本发明中公开的新型高增益WLAN双频滤波天线的正视图；
图5是本发明中公开的新型高增益WLAN双频滤波天线中下介质基板层上印制的伪交指SIR双频滤波器结构的示意图；
图6是SIR滤波器的典型基本结构图；
图7是本发明中公开的新型高增益WLAN双频滤波天线进行电磁仿真的回波损耗S11和增益曲线图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
图2-图4为本实施例提出的一种新型高增益WLAN双频滤波天线的立体图、俯视图和正视图结构，本实施例提出的滤波天线印制在相对介电常数为2.55的介质基板两面(上介质基板层和下介质基板层)，加上中间为共用的用于接地的地板层，该滤波天线整体可视为一个三层结构。
其中，所述下介质基板层上印制有一个伪交指SIR双频滤波器，如图5所示。所述上介质基板层上印制有一个贴片辐射天线4，所述地板层上开设有一个缝隙3，信号经过所述伪交指SIR双频滤波器后通过所述缝隙3耦合到所述贴片辐射天线4上进行辐射传播。
本实施例中，所述缝隙3为矩形，但是，本发明的技术方案并不限于该矩形缝隙的限制，其它任何便于耦合的缝隙形状均属于本发明的保护范围。
所述双频滤波器结构包括：两个SIR(Step Impedance Resonators，阶跃阻抗谐振器)谐振器组成，即图5中的第一SIR谐振器2a和第二SIR谐振器2b，上述第一SIR谐振器2a和第二SIR谐振器2b均由特征阻抗不同的高、低阻抗线组成，呈U字型，并且其U字型的开口方向为交叉相对的。
所述双频滤波器结构还包括：第一双指耦合结构1a和第二双指耦合结构1b，所述第一双指耦合结构1a和第二双指耦合结构1b用于耦合馈电，其特性阻抗为50欧姆，信号由所述第一双指耦合结构1a馈电输入，经过第一SIR谐振器2a和第二SIR谐振器2b耦合后，由所述第二双指耦合结构1b输出。
然后，信号通过所述地板层的缝隙3耦合到所述上介质基板层的贴片辐射天线4上进行辐射传播。
地板层位于所述上介质基板层和所述下介质基板层中间，作为接地层为所述上介质基板层的贴片辐射天线和所述下介质基板层的双频滤波器结构共用，在地板层上开了一个缝隙3，缝隙3的位置位于所述第二双指耦合结构1b的上方，如附图3所示；在所述上介质基板层的贴片辐射天线4，贴片辐射天线4的位置位于第二双指耦合结构1b和缝隙3的上方，具体仍然参照附图3所示。
本实施例中，第一SIR谐振器2a和第二SIR谐振器2b均由位于中间的高阻抗线与分别位于所述高阻抗线两端的低阻抗线垂直连接构成。
如图5所示，本实施例中，第一双指耦合结构1a和第二双指耦合结构1b均由U型微带线与位于所述U型微带线底部的直线型微带线垂直连接构成，并且所述U型微带线的开口方向与所述直线型微带线的延伸方向相反。
其中，第一SIR谐振器2a中外侧的低阻抗线位于所述第一双指耦合结构1a的U型微带线的U型凹槽内，同时，第二SIR谐振器2b中外侧的低阻抗线位于所述第二双指耦合结构1b的U型微带线的U型凹槽内。
本发明专利滤波天线的下介质基板层的双频滤波器结构采用SIR伪交指形滤波器，其中，SIR的典型基本结构如图6所示，它是有两个具有不同特征阻抗的传输线组合而成的横向电磁场或准横向电磁场模式的谐振器。SIR在应用中具有很多的优点，比如说，1)在结构和设计上有很大的自由度，2)通多采用不同类型的传输线(同轴的，带状线的、微带的、共平面的)或介质材料而使其有很大的应用频率范围，3)SIR具有高谐波抑制和高带外抑制等等。滤波器通过地板上的缝隙激励辐射贴片辐，有效地减小了整体结构的体积，虽然在纵向长度上有所增加，但是总的来说减小了尺寸。SIR伪交指双频滤波器的工作频段控制在2.4GHz和5.2GHz附近，由于贴片天线有多个谐振模式，合理调节贴片的大小可以使天线在2.4GHz和5.2GHz附近产生谐振点，然后调节地板上缝隙的大小和相对位置，就可以很好地调节整体结构的工作性能。
本实施例公开的新型高增益WLAN双频滤波天线结构如图2-图4所示，利用贴片天线具有的多个谐振模式，合理调节使其的谐振频率落在双频滤波器的工作带宽的附近，实现了双频滤波天线，调节矩形缝隙的尺寸和位置实现具有较高增益的工作性能。电磁仿真的该双频滤波天线的回波损耗S11和增益曲线如图7所示。
综上所述，本实施例公开的新型高增益WLAN双频滤波天线采用一个三层结构，在最底层的下介质基板层上印制有一个双频滤波结构，其采用的是一个SIR伪交指结构，中间层是一个地板层，地板层上开了一个槽缝，顶层的上介质基板层上是一个贴片辐射天线，信号通过地板层上的缝隙耦合到贴片辐射天线上，激励贴片辐射天线进行辐射。在工作频段有良好的增益矩形度，提高了系统的效率。
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 (8)

1.一种新型高增益WLAN双频滤波天线，其特征在于，所述滤波天线包括：上介质基板层、下介质基板层以及位于所述上介质基板层和所述下介质基板层中间的用于共用接地的地板层，
所述下介质基板层上印制有一个伪交指SIR双频滤波器，所述上介质基板层上印制有一个贴片辐射天线(4)，所述地板层上开设有一个缝隙(3)，信号经过所述伪交指SIR双频滤波器后通过所述缝隙(3)耦合到所述贴片辐射天线(4)上进行辐射传播。
2.根据权利要求1所述的一种新型高增益WLAN双频滤波天线，其特征在于，
所述伪交指SIR双频滤波器包括：第一SIR谐振器(2a)、第二SIR谐振器(2b)、第一双指耦合结构(1a)和第二双指耦合结构(1b)，
其中，所述第一SIR谐振器(2a)和所述第二SIR谐振器(2b)均由特征阻抗不同的高、低阻抗线组成，呈U字型，并且两者的U字型的开口方向为交叉相对的；
所述第一双指耦合结构(1a)和所述第二双指耦合结构(1b)用于耦合馈电，信号由所述第一双指耦合结构(1a)馈电输入，经过所述第一SIR谐振器(2a)和所述第二SIR谐振器(2b)耦合后，由所述第二双指耦合结构(1b)输出。
3.根据权利要求2所述的一种新型高增益WLAN双频滤波天线，其特征在于，
所述第一双指耦合结构(1a)和所述第二双指耦合结构(1b)的特性阻抗均为50欧姆。
4.根据权利要求2所述的一种新型高增益WLAN双频滤波天线，其特征在于，
所述第一SIR谐振器(2a)和所述第二SIR谐振器(2b)均由位于中间的高阻抗线与分别位于所述高阻抗线两端的低阻抗线垂直连接构成。
5.根据权利要求4所述的一种新型高增益WLAN双频滤波天线，其特征在于，
所述第一双指耦合结构(1a)和所述第二双指耦合结构(1b)均由U型微带线与位于所述U型微带线底部的直线型微带线垂直连接构成，并且所述U型微带线的开口方向与所述直线型微带线的延伸方向相反。
6.根据权利要求5所述的一种新型高增益WLAN双频滤波天线，其特征在于，
所述第一SIR谐振器(2a)中外侧的低阻抗线位于所述第一双指耦合结构(1a)的U型微带线的U型凹槽内，同时，所述第二SIR谐振器(2b)中外侧的低阻抗线位于所述第二双指耦合结构(1b)的U型微带线的U型凹槽内。
7.根据权利要求1至3任一所述的一种新型高增益WLAN双频滤波天线，其特征在于，
所述缝隙(3)位于所述第二双指耦合结构(1b)的上方，所述贴片辐射天线(4)位于所述第二双指耦合结构(1b)和所述缝隙(3)的上方。
8.根据权利要求1至6任一所述的一种新型高增益WLAN双频滤波天线，其特征在于，
所述缝隙(3)为矩形。
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