CN107425272B - 滤波天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种滤波天线阵列，包括两个相同的对称放置的双层堆叠微带贴片天线和一个带有一分二的功率分配网络，所述的双层堆叠微带贴片天线包括第一微带贴片天线和第二微带贴片天线，所述一分二的功率分配网络包括阻抗变换微带线、同相功率分配微带线、抽头耦合微带线、枝节加载的双模谐振器和缝隙耦合微带线。本发明设计了一个即具有滤波、又具有功率分配功能的滤波功率分配网络，包括双层堆叠微带贴片和功率分配网络，双层堆叠的微带贴片天线作为滤波网络的最后一阶，提高了滤波阶数，同时边沿选择性得到了提升。同时，天线的结构比较紧凑，增益高，滤波特性好。

Description

滤波天线阵列
技术领域
本发明涉及移动通信技术领域，具体涉及一种滤波天线阵列。
背景技术
天馈系统是无线通信系统的最前端，是无线通信系统不可缺少的关键部件。天馈系统包括天线、滤波器和双工器，传统方法是三者单独设计，然后用射频电缆进行连接。缺点是三者都需要独自的匹配网络与50欧姆馈线进行匹配，带来体积大、总量重的问题，同时，过多的匹配网络带来了损耗大的缺点。
随着无线通信的发展，通信系统越来越趋向于小型化和集成化，因此，一体化的天馈系统具有极大的需求。滤波天线将天线和滤波器联合进行设计，能够使得射频前端系统的结构更加紧凑，减少不必要的损耗引入，使得通信系统的小型化和集成化更加容易实现。
在现有的技术中，滤波天线的设计主要是把天线和滤波器级联设计，它们之间连接端口阻抗不再是设计为50欧姆，而是设计成一个最佳的阻抗。而且天线的带宽较滤波器的带宽要宽，再用滤波器滤出所要的频段。这样的设计会带来边缘频率选择性的恶化，不利于通信。
因此，滤波天线的一体化和集成化设计，滤波网络也是功率分配网络，把天线辐射单元设计成滤波器的最后一阶，提高频率选择性和扩展带宽，是很有必要的。
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，提供一种滤波天线阵列，与现有的滤波天线相比，天线的频率选择性和带宽有较大的提升，增益较高，带外抑制较好。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种滤波天线阵列，包括上层介质基板10和下层介质基板11，上层介质基板10的上表面印刷有由两个相同的对称放置的第一微带贴片天线1，下层介质基板11的上表面印刷有由两个相同的对称放置的第二微带贴片天线2和一个带有一分二的滤波功能的功率分配网络3，其下表面印刷有反射地板12，所述的第一微带贴片天线1和所述的第二微带贴片天线2上下堆叠设置构成双层堆叠微带贴片天线，其中所述的第一微带贴片天线1为寄生贴片，所述的第二微带贴片天线2为驱动贴片，所述的第一微带贴片天线1包括第一寄生贴片13和第二寄生贴片14，所述的第二微带贴片天线2包括第一驱动贴片15和第二驱动贴片16；
所述的带有一分二的滤波功能的功率分配网络3的一端通过缝隙耦合微带线8与端口相连，另一端与所述的第二微带贴片天线2相连。
进一步地，所述的功率分配网络3包括第一阻抗变换线6、第二阻抗变换线7、同相功率分配微带线4、抽头耦合微带线9、枝节加载的双模谐振器5和缝隙耦合微带线8；所述的枝节加载的双模谐振器5由U型的第一开路线17和加载在U型的第一开路线17凹槽段的第二开路线18组成；
所述的第一阻抗变换线6和所述的第二阻抗变换线7的一端分别与所述的同相功率分配微带线4两端相连，所述的抽头耦合微带线9的一端设置在所述的同相功率分配微带线4的中段，所述的抽头耦合微带线9的另一端与所述的第一开路线17相连。
进一步地，所述的缝隙耦合微带线8设置在所述的第一开路线17的一侧，所述的缝隙耦合微带线8和所述的第一开路线17之间存在耦合间隙，所述的双模谐振器5与所述的缝隙耦合微带线8通过缝隙耦合馈电；所述的双模谐振器5还通过所述的抽头耦合微带线9进行抽头耦合馈电。
进一步地，所述的功率分配网络3的一端通过所述的缝隙耦合微带线8与端口相连，另一端分别通过所述的第一阻抗变换线6和所述的第二阻抗变换线7与所述的第一驱动贴片15和所述的第二驱动贴片16相连。
进一步地，所述的第一阻抗变换线6和所述的第二阻抗变换线7分别设置在所述的第一驱动贴片15和所述的第二驱动贴片16的边缘的中段。
进一步地，印刷在所述的上层介质基板10上表面的两个相同的对称放置的第一微带贴片天线1和印刷在所述的下层介质基板11上表面的两个相同的对称放置的第二微带贴片天线2能产生一个具有两个相近谐振模式的贴片天线阵列。
进一步地，枝节加载的所述的双模谐振器5和具有两个相近谐振模式的贴片天线阵列相耦合产生的滤波天线阵列能使所需要的频率信号能通过。
进一步地，枝节加载的所述的双模谐振器5能在通带外两边各产生一个辐射零点。
进一步地，枝节加载的所述的双模谐振器5的第一开路线17在上阻带会产生一个传输零点，第二开路线18会在下阻带引入一个传输零点，通过调整第一开路线17和第二开路线18的长度、缝隙耦合微带线8和第一开路线17之间耦合间隙、抽头耦合微带线9位于第一开路线17的位置，能使所要的频率的信号能通过。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、本发明将阵列天线的功率分配网络与滤波网络设计结合在一起，设计了一个既具有滤波功能、又具有功率分配功能的滤波功率分配网络，因此天线的结构比较紧凑，同时，本发明通过设计天线阵列，提高了天线的增益。
2、本发明将双层贴片天线单元设计为滤波器的最后一阶，增加了通带内的模式，提高了频率选择性，扩展了带宽。
3、本发明通过设计枝节加载的双模谐振器的长度，其中一个端口抽头耦合的方式，在带外两边各引入一个传输零点，提高了带外抑制。
附图说明
图1是实施例的总示意图以及主要组成部分的编号标注；
图2是实施例的总示意图以及细化的编号标注；
图3是单个双层堆叠贴片天线的结构图；
图4是实施例上层介质基板的俯视图；
图5是实施例下层介质基板的俯视图；
图6是实施例上层介质基板上表面结构的尺寸标注图；
图7是实施例下层介质基板上表面结构的尺寸标注图；
图8是实施例单个双层堆叠贴片天线实例的仿真S参数曲线图；
图9是实施SLR谐振器实例的仿真S参数曲线图；
图10是实施例天线的测试S参数曲线图；
图11是实施例天线的仿真增益随频率变化曲线；
图12(a)是实施例天线H面仿真方向图；
图12(b)是实施例天线E面仿真方向图。
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做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
参照图1，图2，本实施例滤波天线阵列，包括两个相同的对称放置的双层堆叠微带贴片天线、一个带有一分二的功率分配网络3，所述的双层堆叠微带贴片天线包括第一微带贴片天线1和第二微带贴片天线2，所述一分二的功率分配网络3包括第一阻抗变换线6、第二阻抗变换线7、同相功率分配微带线4、抽头耦合微带线9、枝节加载的双模谐振器5和缝隙耦合微带线8，所述的枝节加载的双模谐振器5包括U型的第一开路线17和第一开路线17中间加载的第二开路线18。第一微带贴片天线1和第二微带贴片天线2上下堆叠设置构成双层堆叠微带贴片天线，其中第一微带贴片天线1为寄生贴片，第二微带贴片天线2为驱动贴片，所述的第一微带贴片天线1包括第一寄生贴片13和第二寄生贴片14，所述的第二微带贴片天线2包括第一驱动贴片15和第二驱动贴片16。
一分二的功率分配网络3的一端通过缝隙耦合微带线8与端口相连，另一端通过第一阻抗变换线6和第二阻抗变换线7与第二微带贴片天线2相连。
上层介质基板10的上表面印刷有由两个相同的对称放置的第一微带贴片天线1。下层介质基板11的上表面印刷有由两个相同的对称放置的第二微带贴片天线2和一个带有一分二的滤波功能的功率分配网络3，其下表面印刷有反射地板12。
参考图3本实施例具有两个相近谐振频率的双层堆叠微带贴片天线，作为滤波网络的最后一阶，包括第一寄生贴片13、第一驱动贴片15和第一阻抗变换线6。第一阻抗变换线6一端与第一驱动贴片15相连，另一端与激励端口相连。
通过合理选择第一寄生贴片13、第一驱动贴片15、第一阻抗变换线6的长度和宽度，以及空气层高度，可以使得双层堆叠微带贴片天线具有两个相近的谐振频率。作为一个实例，当中心频率选取为2.65GHz时，采用相对介电常数为2.55，介质损耗角为0.003，厚度为1c＝0.8mm的聚四氟乙烯介质基板。第一驱动贴片15的长度3a＝33.2mm，宽度3b＝33.2mm。与第一驱动贴片相连的第一阻抗变换线6的长度4a＝10.8mm，宽度4b＝4.6mm。第一寄生贴片13的长度2a＝41mm，宽度2b＝41mm，空气层2c＝6mm。图8为以上尺寸时双层堆叠微带贴片天线的S参数，可以看出天线有两个相近的模式。
枝节加载的双模谐振器5由U型的第一开路线17和第一开路线中间加载的第二开路线18组成。双模谐振器5一端与缝隙耦合微带线8之间存在耦合缝隙，通过缝隙耦合馈电，另一端与抽头耦合微带线9相连，通过抽头耦合馈电，双模谐振器5的第一开路线17在上阻带会产生一个传输零点，第二开路线18会在下阻带引入一个传输零点。通过合理选择第一开路线17、第二开路线18的长度，缝隙耦合端口的耦合间距、抽头耦合端口的位置，能使所要的频率的信号能通过。作为一个实例，当中心频率选取为2.65GHz时，采用相对介电常数为2.55，介质损耗角为0.003，厚度为1c＝0.8mm的聚四氟乙烯介质基板，第一开路线17的长度为39.4mm，枝节加载的第二开路线18为23.6mm。图9为这个时候的双模谐振器5的S参数，可以看出，在中心频率2.65GHz附近有两个相近的模式，在带外2.2GHz和3.2GHz各有一个零点，提高带外抑制。
工作时，信号从端口送入，缝隙耦合微带线8通过缝隙耦合给双模谐振器5，再经过抽头耦合微带线9传给同相功率分配微带线4，再被以相同的幅度、相同的相位分配到第一驱动贴片15、第二驱动贴片16，最后耦合到第一寄生贴片13、第二寄生贴片14。由于在第一寄生贴片13、第二寄生贴片14上的电流都是同向，因此能够在天线的正Z方向同向叠加，产生较高的天线增益。
图4、5分别为两个介质基板上下表面的电气结构图，条纹填充部分为导体铜覆盖的结构，其余部分为介质基板。
图6、7为各部分电气结构的尺寸标注图。
结合图2，图6，图7的尺寸标注，本实施例中天线的具体参数如下：两个介质板均为聚四氟乙烯介质板板，厚度1c为0.8mm，长度1a为164mm，宽度1b为82mm。两个介质板之间的高度2c为6mm。寄生贴片的边长2a，2b都是41mm，间距3c为43mm。驱动贴片的边长3a，3b都是33.2mm，间距4c为50.8mm。一分二功率分配网络，其主要尺寸4a，5a，6a，7a，8a，9a，10a分别为10.8mm，1.62mm，5mm，13mm，13.2mm，23.6mm，10mm。4b，5b，6b，7b，8b，9b，10b分别为4.8mm，0.62mm，2.2mm，1mm，0.5mm，2mm，2.2mm。缝隙5c为0.2mm。该滤波天线阵列工作在中心频率2.65GHz左右，带宽为440MHz，带内有四个谐振模式，如图10。在工作频带范围内，天线的增益基本上都大于10dBi，在带外低频和高频处各有一个辐射零点，如图11所示。交叉极化大于30dB，如天线的仿真方向图如图12所示。
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 (4)

1.一种滤波天线阵列，包括上层介质基板(10)和下层介质基板(11)，上层介质基板(10)的上表面印刷有由两个相同的对称放置的第一微带贴片天线(1)，下层介质基板(11)的上表面印刷有由两个相同的对称放置的第二微带贴片天线(2)和一个带有一分二的滤波功能的功率分配网络(3)，其下表面印刷有反射地板(12)，其特征在于，所述的第一微带贴片天线(1)和所述的第二微带贴片天线(2)上下堆叠设置构成双层堆叠微带贴片天线，其中所述的第一微带贴片天线(1)为寄生贴片，所述的第二微带贴片天线(2)为驱动贴片，所述的第一微带贴片天线(1)包括第一寄生贴片(13)和第二寄生贴片(14)，所述的第二微带贴片天线(2)包括第一驱动贴片(15)和第二驱动贴片(16)；
所述的带有一分二的滤波功能的功率分配网络(3)的一端通过缝隙耦合微带线(8)与端口相连，另一端与所述的第二微带贴片天线(2)相连；
其中，所述的功率分配网络(3)包括第一阻抗变换线(6)、第二阻抗变换线(7)、同相功率分配微带线(4)、抽头耦合微带线(9)、枝节加载的双模谐振器(5)和缝隙耦合微带线(8)；所述的枝节加载的双模谐振器(5)由U型的第一开路线(17)和加载在U型的第一开路线(17)凹槽段的第二开路线(18)组成；
所述的第一阻抗变换线(6)和所述的第二阻抗变换线(7)的一端分别与所述的同相功率分配微带线(4)两端相连，所述的抽头耦合微带线(9)的一端设置在所述的同相功率分配微带线(4)的中段，所述的抽头耦合微带线(9)的另一端与所述的第一开路线(17)相连；
枝节加载的所述的双模谐振器(5)能在通带外两边各产生一个辐射零点；枝节加载的所述的双模谐振器(5)的第一开路线(17)在上阻带会产生一个传输零点，第二开路线(18)会在下阻带引入一个传输零点，通过调整第一开路线(17)和第二开路线(18)的长度、缝隙耦合微带线(8)和第一开路线(17)之间耦合间隙、抽头耦合微带线(9)位于第一开路线(17)的位置，能使所要的频率的信号能通过；
其中，所述的缝隙耦合微带线(8)设置在所述的第一开路线(17)的一侧，所述的缝隙耦合微带线(8)和所述的第一开路线(17)之间存在耦合间隙，所述的双模谐振器(5)与所述的缝隙耦合微带线(8)通过缝隙耦合馈电；
其中，所述的功率分配网络(3)的一端通过所述的缝隙耦合微带线(8)与端口相连，另一端分别通过所述的第一阻抗变换线(6)和所述的第二阻抗变换线(7)与所述的第一驱动贴片(15)和所述的第二驱动贴片(16)相连。
2.根据权利要求1所述的滤波天线阵列，其特征在于，所述的第一阻抗变换线(6)和所述的第二阻抗变换线(7)分别设置在所述的第一驱动贴片(15)和所述的第二驱动贴片(16)的边缘的中段。
3.根据权利要求1或2所述的滤波天线阵列，其特征在于，印刷在所述的上层介质基板(10)上表面的两个相同的对称放置的第一寄生贴片(13)与第二寄生贴片(14)和印刷在所述的下层介质基板(11)上表面的两个相同的对称放置的第一驱动贴片(15)与第二驱动贴片(16)能产生一个具有两个相近谐振模式的贴片天线阵列。
4.根据权利要求3所述的滤波天线阵列，其特征在于，枝节加载的所述的双模谐振器(5)和具有两个相近谐振模式的贴片天线阵列相耦合产生的滤波天线阵列能使所需要的频率信号能通过。
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