CN107221747B - 一种层叠式腔体滤波天线 - Google Patents

一种层叠式腔体滤波天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种层叠式腔体滤波天线，包括多块PCB板，所述多块PCB板从下到上依次层叠，且除底部和顶部外的其它PCB板中间挖空，形成金属谐振腔体，所述金属谐振腔体的底部设有两个导体组件，顶部开有构成二元阵列天线的两个缝隙。本发明采用多块PCB板依次层叠成的金属谐振腔体，在金属谐振腔体的底部设置两个导体组件，通过两个导体组件进行馈电和激励三模的产生，实现三模金属谐振腔体带通滤波器，同时在金属谐振腔体的顶部开了两个缝隙，组成了一个二元阵列天线，二元阵列天线可以满足滤波器与天线同时工作在不同频率的特殊性能，具有性能优良、结构简单，体积小巧，加工容易，成本低廉等优点，能够很好的满足现代通讯系统的要求。

Description

一种层叠式腔体滤波天线
技术领域
本发明涉及一种滤波天线，尤其是一种层叠式腔体滤波天线，属于无线通信领域。
背景技术
微波滤波器和天线都是现代无线通信中必不可少的主件，然而为了适应现代通讯的小型化要求，滤波器和天线这两个部件可以尝试制作为同一部件中。现在有滤波器天线是使用微带技术制作的，同时也有一些采用了SIW或者喇叭状来实现滤波器天线的效果，但是这些滤波器与天线都在同一个通频带内。
现代技术的发展要求滤波器具有体积足够小，质量足够轻，损耗足够低，抑制带尽可能的陡峭，且功率容量高，过渡带窄等技术特点。同时传统的天线与滤波器大部分都是分开设计的，而相对于微波电路中的其他元器件，这两个元器件的体积都是比较大的，因此在当前无线通信要求小型化的潮流中，需要设计出一款可以将滤波功能与天线功能结合的产品。目前有的天线滤波器主要是通过使用微带电路来实现的，也有采用SIW与喇叭状等结构的。这些滤波天线具有体积小的优点，但是他们共同的特点是把天线功能的通频带与滤波器的通频带设计在一个带内，对于要求天线与滤波器工作在不同带内的情况，就有所欠缺难以满足了。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种层叠式腔体滤波天线，该滤波天线具有体积小，结构简单、加工容易、性能好等优点，能够满足通信系统的要求。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种层叠式腔体滤波天线，包括多块PCB板，所述多块PCB板从下到上依次层叠，且除底部和顶部外的其它PCB板中间挖空，形成金属谐振腔体，所述金属谐振腔体的底部设有两个导体组件，顶部开有构成二元阵列天线的两个缝隙。
进一步的，每个缝隙上设有一个短路开关。
进一步的，所述两个缝隙均为矩形缝隙。
进一步的，所述两个导体组件均由同轴外导体和同轴内导体组成，所述同轴外导体固定在金属谐振腔体的底部外壁上，所述同轴内导体的一端与同轴外导体连接，另一端插入金属谐振腔体的内部。
进一步的，所述同轴外导体采用SMA接头，所述同轴内导体采用耦合杆，所述SMA接头的末端与耦合杆的一端焊接。
进一步的，所述SMA接头上设有四个通孔，所述金属谐振腔体的底部外壁上开有四个螺纹孔，四个螺纹孔与四个通孔相对应，通过螺钉穿过通孔后与螺纹孔配合将SMA接头固定在金属谐振腔体的底部外壁上。
进一步的，所述两个导体组件分别设置在金属谐振腔体底部中轴线的左右两边，且左右对称。
进一步的，所述两个缝隙分别开在金属谐振腔体顶部中轴线的左右两边，且左右对称。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明将多块PCB板从下到上依次层叠，并在除底部和顶部外的其它PCB板中间进行挖空，形成金属谐振腔体，在金属谐振腔体的底部设置两个导体组件，通过两个导体组件进行馈电和激励三模的产生，实现三模金属谐振腔体带通滤波器，同时在金属谐振腔体的顶部开了两个缝隙，组成了一个二元阵列天线，二元阵列天线可以满足滤波器与天线同时工作在不同频率的特殊性能，具有性能优良、结构简单，体积小巧，加工容易，成本低廉等优点，能够很好的满足现代通讯系统的要求。
2、本发明可以在两个缝隙上分别设置短路开关，当两个短路开关都关闭时，能量就不能从两个缝隙中出来，金属谐振腔体、两个导体组件一起构成一个纯粹的滤波器，当其中一个短路开关关闭，另一个短路开关打开时，能量就会从打开的短路开关所对应的缝隙出来，作为单天线使用，当两个短路开关都打开时，能量就会从两个缝隙中出来，构成一个二元阵列天线，满足通信的各种需求。
3、本发明与现有的滤波天线相比，滤波器的通频带与天线的通频带是分开的，滤波器部分和天线部分可以同时工作在不同的频率，即可以同时实现对不同频率的天线发射与信号滤波功能，且金属谐振腔体滤波器具有高的频率选择性、低插损、功率容量大、性能稳定等优点而具有很高的应用价值；此外，由于天线具有结构稳定、体积小巧等优点，特别适合安装在卫星等高速飞行器上。
附图说明
图1为本发明实施例1的滤波天线结构示意图。
图2为本发明实施例1的滤波天线正视图。
图3为本发明实施例1的滤波天线俯视图。
图4为本发明实施例1的滤波天线的S参数电磁仿真曲线图。
图5为本发明实施例1的滤波天线其中一个输出端口的辐射方向极化图。
图6为本发明实施例1的滤波天线的主瓣幅度电磁仿真曲线图。
其中，1-金属谐振腔体，2-第一同轴外导体，3-第二同轴内导体，4-第二同轴外导体，5-第二同轴内导体，6-第一缝隙，7-第二缝隙，8-第一短路开关，9-第二短路开关。
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。
实施例1：
如图1～图3所示，本实施例提供了一种层叠式腔体滤波天线，该滤波天线包括多块PCB板，将多块PCB板从下到上依次层叠加工，并将除底部和顶部外的其它PCB板中间进行挖空加工，使整个层叠结构形成金属谐振腔体1，中间挖空的PCB板作为金属谐振腔体1的侧壁，金属谐振腔体1顶部的PCB板和底部的PCB板与金属谐振腔体1的侧壁相接。
所述金属谐振腔体1的底部设有两个导体组件，两个导体组件分别设置在金属谐振腔体1底部中轴线的左右两边，且左右对称，两个导体组件分别为第一导体组件和第二导体组件，第一导体组件由第一同轴外导体2和第一同轴内导体3组成，第二导体组件由第二同轴外导体4和第二同轴内导体5组成，所述第一同轴外导体2和第二同轴外导体4固定在金属谐振腔体1的底部外壁上，所述第一同轴内导体3的一端与第一同轴外导体2连接，另一端插入金属谐振腔体1的内部，所述第二同轴内导体5的一端与第一同轴外导体4连接，另一端插入金属谐振腔体1的内部，利用第一同轴内导体3和第二同轴内导体5作为输入端口(馈电端口)，用于进行馈电和激励三模的产生，实现三模金属谐振腔体带通滤波器；所述第一同轴外导体2均和第二同轴外导体4采用SMA接头，所述第一同轴内导体3和第二同轴内导体5采用耦合杆，SMA接头的末端与耦合杆的一端焊接，SMA接头上设有四个通孔，在金属谐振腔体1的底部外壁上开设四个螺纹孔，四个螺纹孔与四个通孔相对应，通过螺钉穿过通孔后与螺纹孔配合将SMA接头固定在金属谐振腔体1的底部外壁上。
所述金属谐振腔体1的顶部开有构成二元阵列天线的两个缝隙，两个缝隙均为矩形缝隙，分别开在金属谐振腔体1顶部中轴线的左右两边，且左右对称，两个缝隙分别为第一缝隙6和第二缝隙7，第一缝隙6上设有第一短路开关8，第二缝隙7上设有第二短路开关9，第一短路开关8可以对第一缝隙6进行控制，第二短路开关9可以对第二缝隙7进行控制，如果将第一短路开关8和第二短路开关9都关闭，则能量就不能从第一缝隙6和第二缝隙7中出来，金属谐振腔体1、第一导体组件和第二导体组件一起构成一个纯粹的滤波器；如果将第一短路开关8关闭，第二短路开关9打开，则能量就会从第二缝隙7中出来，作为单天线使用，第二缝隙7的方向也就是天线辐射的方向；如果将第一短路开关8打开，第二短路开关9关闭，则能量从就从第一缝隙6中出来，作为单天线使用，第一缝隙6的方向也就是天线辐射方向；如果将第一短路开关8和第二短路开关9都打开，则能量就可以同时从第一缝隙6和第二缝隙7中出来，辐射出去，第一缝隙6和第二缝隙7都作为输出端口(辐射端口)，构成二元阵列天线，可以满足滤波器与天线同时工作在不同频率的特殊性能。
本实施例的滤波天线频率响应的S参数电磁仿真曲线如图4所示，图中S11是指输入端口的回波损耗，S21是指输入端口到输出端口的正向反射系数，可以看到在3.84GHz～7.08GHz的频率范围内，S11的值都在-10dB以下，且有三个明显的谐振点，这部分是三模滤波器的频率范围，而在8.35GHz～8.43GHz的频率范围内，S11的值都在-10dB以下，这部分是天线的频率范围，很好的满足了现代通讯系统的要求；
本实施例的滤波天线其中一个输出端口(辐射端口)的辐射方向极化图如图5所示，同理，另一个输出端口(辐射端口)的辐射方向极化图形状完全相同，只是辐射方向相反；
本实施例的滤波天线的主瓣幅度如图6所示，主瓣幅度在8.2GHz开始，主瓣增益开始大于0dB，有能量输出，并且逐渐增大，到了8.56GHz(工作频率)时达到最高，最高天线增益为8.08增益，一直持续到8.7GHz的时候都在8.0dB增益左右，之后持续下降，到9Ghz的时候，增益降到0dB以下，没有能量输出。
实施例2：
本实施例的主要特点是：所述PCB板可以用一般的介质板代替，但同时金属谐振腔体1的外壁和内壁上需要进行沉铜处理。其余同实施例1。
上述实施例中，所述金属谐振腔1和导体组件采用的金属材料可以为铝、铁、锡、铜、银、金和铂的任意一种，或可以为铝、铁、锡、铜、银、金和铂任意一种的合金。
综上所述，本发明将多块PCB板从下到上依次层叠，并在除底部和顶部外的其它PCB板中间进行挖空，形成金属谐振腔体，在金属谐振腔体的底部设置两个导体组件，通过两个导体组件进行馈电和激励三模的产生，实现三模金属谐振腔体带通滤波器，同时在金属谐振腔体的顶部开了两个缝隙，组成了一个二元阵列天线，二元阵列天线可以满足滤波器与天线同时工作在不同频率的特殊性能，具有性能优良、结构简单，体积小巧，加工容易，成本低廉等优点，能够很好的满足现代通讯系统的要求；此外，还可以在两个缝隙上分别设置短路开关，当两个短路开关都关闭时，能量就不能从两个缝隙中出来，金属谐振腔体、两个导体组件一起构成一个纯粹的滤波器，当其中一个短路开关关闭，另一个短路开关打开时，能量就会从打开的短路开关所对应的缝隙出来，作为单天线使用，当两个短路开关都打开时，能量就会从两个缝隙中出来，构成一个二元阵列天线，满足通信的各种需求。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (6)

1.一种层叠式腔体滤波天线，其特征在于：包括多块PCB板，所述多块PCB板从下到上依次层叠，且除底部和顶部外的其它PCB板中间挖空，形成金属谐振腔体，所述金属谐振腔体的底部设有两个导体组件，通过两个导体组件进行馈电和激励三模的产生，实现三模金属谐振腔体带通滤波器；金属谐振腔体的顶部开有两个缝隙，两个缝隙均为矩形缝隙，两个缝隙上分别设有短路开关，当两个短路开关都关闭时，能量就不能从两个缝隙中出来，金属谐振腔体、两个导体组件一起构成一个纯粹的滤波器，当其中一个短路开关关闭，另一个短路开关打开时，能量就会从打开的短路开关所对应的缝隙出来，作为单天线使用，当两个短路开关都打开时，能量就会从两个缝隙中出来，构成一个二元阵列天线，所述二元阵列天线能够使滤波器部分和天线部分同时工作在不同的频率。
2.根据权利要求1所述的一种层叠式腔体滤波天线，其特征在于：所述两个导体组件均由同轴外导体和同轴内导体组成，所述同轴外导体固定在金属谐振腔体的底部外壁上，所述同轴内导体的一端与同轴外导体连接，另一端插入金属谐振腔体的内部。
3.根据权利要求2所述的一种层叠式腔体滤波天线，其特征在于：所述同轴外导体采用SMA接头，所述同轴内导体采用耦合杆，所述SMA接头的末端与耦合杆的一端焊接。
4.根据权利要求3所述的一种层叠式腔体滤波天线，其特征在于：所述SMA接头上设有四个通孔，所述金属谐振腔体的底部外壁上开有四个螺纹孔，四个螺纹孔与四个通孔相对应，通过螺钉穿过通孔后与螺纹孔配合将SMA接头固定在金属谐振腔体的底部外壁上。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种层叠式腔体滤波天线，其特征在于：所述两个导体组件分别设置在金属谐振腔体底部中轴线的左右两边，且左右对称。
6.根据权利要求1-4任一项所述的一种层叠式腔体滤波天线，其特征在于：所述两个缝隙分别开在金属谐振腔体顶部中轴线的左右两边，且左右对称。
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