CN107425276A - 一种具有滤波特性的圆极化缝隙天线 - Google Patents

一种具有滤波特性的圆极化缝隙天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种具有滤波特性的圆极化缝隙天线，包括介质基板、金属地、微带结构和分布电容；介质基板的上表面设有金属地；介质基板的下表面设有微带结构；金属地中间设有圆环形辐射缝隙；圆环形辐射缝隙将金属地分隔成内侧金属和外侧金属；分布电容跨接于圆环形辐射缝隙两边的内侧金属和外侧金属。微带结构包括顺序连接的输入微带线、微带耦合线滤波器、输出微带线和圆形调谐贴片；微带结构将输入信号耦合至圆环形辐射缝隙，圆环形辐射缝隙主模被分布电容微扰分裂成两个正交简并模式，进而同时获得滤波和圆极化辐射特性。本发明的具有滤波特性的圆极化缝隙天线圆极化带宽宽、滤波特性好、结构紧凑、制作方便、成本低廉，可用于现代无线通信终端。

Description

一种具有滤波特性的圆极化缝隙天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种具有滤波特性的圆极化缝隙天线。
背景技术
天线和滤波器是无线通信系统的两个关键组件。天线起到转换导行电磁波与辐射电磁波能量的作用，滤波器则起到选择信号、滤除带外干扰、衰减噪声的作用。传统天线与滤波器独立设计不仅会占用更大的结构尺寸，而且将引入更多的能量损耗。现代无线通信终端体积日趋紧凑、功耗日益苛刻，因此需要联合设计天线和滤波器，实现集辐射和滤波功能于一体的新型天线。
与线极化天线相比，圆极化天线具有许多优越的电气性能。首先，线极化天线接收性能严重依赖于接收天线和发射天线的相对安装方位，而圆极化天线接收性能不受收发天线安装方位影响，有利于降低极化失配损耗。其次，圆极化天线既能接收旋向相同的圆极化电磁波，还能接收线极化或者椭圆极化电磁波，反之，圆极化电磁波既可以被旋向相同的圆极化天线接收，还可以被线极化或者椭圆极化天线接收。最后，圆极化电磁波入射到水滴或者障碍物表面折射后，其旋向将发生反转，能够抵抗雨、雪、雾、霾恶劣天气和抑制多径干扰信号。因此，圆极化天线越来越广泛应用于移动通信、卫星导航、遥测遥感、电子对抗、航空航天、雷达等领域。
缝隙天线，特别是微带缝隙天线，因其剖面低、重量轻、阻抗带宽宽、易实现圆极化、误差容忍度高的特点，经常被用于各种无线通信终端。但是，这些圆极化缝隙天线普遍缺乏良好的滤波性能，实际使用时后端必须级联一个滤波器，进而极大地增加了无线通信终端的体积和重量。
2015年，陈付昌和胡豪涛申请了发明名称为“一种具有滤波特性的宽带缝隙天线”，申请号为201510903882.7。该发明采用微带谐振器结构产生多个谐振模激励缝隙辐射结构，不仅拓展了天线工作带宽，而且实现了良好的滤波性能，但是这副天线不具备圆极化辐射特性。
综合公开报道的缝隙天线文献，目前还没有发现既具有圆极化辐射特性又具有良好滤波性能的缝隙天线，因此有必要设计一款具有滤波特性的圆极化缝隙天线，满足现代无线通信终端的迫切需求。
发明内容
本发明的目的在于提出一种具有滤波特性的圆极化缝隙天线，其圆极化带宽宽、结构紧凑、制作方便、成本低廉，可用于现代无线通信终端。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有滤波特性的圆极化缝隙天线，包括介质基板、金属地、微带结构和分布电容；介质基板的上表面设有金属地；介质基板的下表面设有微带结构；金属地中间设有圆环形辐射缝隙；圆环形辐射缝隙将金属地分隔成内侧金属和外侧金属；分布电容跨接于圆环形辐射缝隙两边的内侧金属和外侧金属间。
进一步的，分布电容由两段紧密相邻的第一弧形耦合金属线和第二弧形耦合金属线构成，第一弧形耦合金属线和第二弧形耦合金属线中线重合、张角相等、且与圆环形辐射缝隙同心；第一弧形耦合金属线连接内侧金属，第二弧形耦合金属线连接外侧金属。
进一步的，微带结构由顺序连接的输入微带线、微带耦合线滤波器、输出微带线和圆形调谐贴片构成。
进一步的，微带耦合线滤波器包括第一微带谐振器、第二微带谐振器和第三微带谐振器，第一微带谐振器、第二微带谐振器和第三微带谐振器为弧形微带线，并与圆环形辐射缝隙同心。
进一步的，第一微带谐振器与第三微带谐振器内径与外径相同，第二微带谐振器外径小于第一微带谐振器和第三微带谐振器内径，且内径大于圆环形辐射缝隙外径；第二微带谐振器的张角与第一微带谐振器和第三微带谐振器的张角均部分重合；第一微带谐振器与输入微带线连接，第三微带谐振器与输出微带线连接。
进一步的，圆形调谐贴片在金属地上的投影与圆环形辐射缝隙内圆相切。
进一步的，电磁信号由输入微带线馈入微带耦合线滤波器，经过滤波处理由输出微带线耦合至圆环形辐射缝隙，圆环形辐射缝隙主模在分布电容的微扰作用下，分裂成两个空间上正交、幅度上相等、相位上相差90°的简并模式，圆形调谐贴片用于调节天线的阻抗匹配效果，进而实现兼具滤波和圆极化辐射特性的缝隙天线。
进一步的，介质基板中线与圆形调谐贴片以及输出微带线中线重合；分布电容中线与介质基板中线的夹角为45°。
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采用在介质基板下表面的微带结构中集成微带耦合线滤波器的方法，无需增加结构尺寸，即可实现良好的滤波特性。
2.本发明所述的缝隙天线采用简单的分布电容加载方法，便可实现良好的圆极化辐射特性。
3.本发明所述的缝隙天线圆极化带宽宽、滤波特性好、结构紧凑、制作方便、成本低廉，可用于现代无线通信终端。
附图说明
图1是本发明所述具有滤波特性的圆极化缝隙天线的立体结构示意图。
图2是本发明所述具有滤波特性的圆极化缝隙天线的顶层结构示意图。
图3是本发明所述具有滤波特性的圆极化缝隙天线的底层结构示意图。
图4是图2所示具有滤波特性的圆极化缝隙天线的几何结构示例图。
图5是图3所示具有滤波特性的圆极化缝隙天线的几何结构示例图。
图6是本发明实施例具有滤波特性的圆极化缝隙天线的回波损耗和法向轴比仿真结果。
图7是本发明实施例具有滤波特性的圆极化缝隙天线在2.4GHz时远场方向图仿真结果。
图8是本发明实施例具有滤波特性的圆极化缝隙天线的增益仿真结果。
具体实施方式
本发明提出一种具有滤波特性的圆极化缝隙天线，为使本发明之目的、技术方案和效果更加清楚，下面将结合具体实施例及附图，清楚、完整地描述本发明技术方案。应当理解，此处所描述的实施例仅用于解释本发明，而不用于限定本发明。
实施例
请参阅图1至图3所示，本实施例具有滤波特性的圆极化缝隙天线，通过印制电路板工艺制作于尺寸为50mm×50mm，厚度为1.6mm，介电常数为4.4，损耗角正切为0.02的双面敷铜环氧玻璃布介质基板1上。
本发明一种具有滤波特性的圆极化缝隙天线，包括介质基板1、介质基板1上表面印制的金属地2、介质基板1下表面印制的微带结构3、金属地2上蚀刻的圆环形辐射缝隙4和跨接于圆环形辐射缝隙4两边内侧金属和外侧金属的分布电容5。金属地2被圆环形辐射缝隙4分隔为内侧金属和外侧金属；微带结构3由输入微带线31、微带耦合线滤波器32、输出微带线33和圆形调谐贴片34构成。分布电容5由两段紧密相邻的弧形耦合金属线51和52构成，两段弧形耦合金属线51和52中线重合、张角相等、且与圆环形辐射缝隙4同心。弧形耦合金属线51连接内侧金属，弧形耦合金属线52连接外侧金属；微带耦合线滤波器32包括第一微带谐振器321、第二微带谐振器322和第三微带谐振器323，第一微带谐振器321、第二微带谐振器322和第三微带谐振器323为弧形微带线，并与圆环形辐射缝隙4同心。第一微带谐振器321与第三微带谐振器323内径与外径相同，第二微带谐振器322外径小于第一微带谐振器321和第三微带谐振器323内径，且内径大于圆环形辐射缝隙4外径。第二微带谐振器322的张角与第一微带谐振器321和第三微带谐振器323的张角均部分重合；第一微带谐振器321与输入微带线31连接，第三微带谐振器323与输出微带线33连接。输出微带线33连接圆形调谐贴片34。圆形调谐贴片34在金属地2上的投影与圆环形辐射缝隙4内圆相切。介质基板1中线与圆形调谐贴片34以及输出微带线33中线重合。分布电容5中线与介质基板1中线的夹角为45°。
本发明提出的具有滤波特性的圆极化缝隙天线工作原理如下：电磁信号由输入微带线31馈入微带耦合线滤波器32，经过滤波处理由输出微带线33耦合至圆环形辐射缝隙4，圆环形辐射缝隙4主模在分布电容5的微扰作用下，分裂成两个空间上正交、幅度上相等、相位上相差90°的简并模式，圆形调谐贴片34用于调节天线的阻抗匹配效果，进而实现兼具滤波和圆极化辐射特性的缝隙天线。
图4、图5分别是图2、图3所示具有滤波特性的圆极化缝隙天线的几何尺寸示例图。结合图4和图5，该具有滤波特性的圆极化缝隙天线的主要尺寸参数如下：圆环形辐射缝隙4外径Ro＝13.8mm，圆环形辐射缝隙4内径Ri＝11.8mm，圆形调谐贴片34半径Rs＝2.8mm，第一微带谐振器321外径R1＝22.7mm，第二微带谐振器322外径R2＝18.8mm，弧形耦合金属线51和52宽度Wd＝0.7mm，弧形耦合金属线51和52间隙Gd＝0.1mm，输入微带线31距离介质基板1边沿距离Df＝11.65mm，分布电容5张角α＝43°。以介质基板1中线为x轴，圆环形辐射缝隙4圆心指向第三微带谐振器323的方向为x轴正方向；分布电容5的中线与x轴正方向夹角第一微带谐振器321的一端边沿与x轴正方向夹角第一微带谐振器321的另一端边沿与x轴正方向夹角第二微带谐振器322的一端边沿与x轴正方向夹角第二微带谐振器322的另一端边沿与x轴正方向夹角第三微带谐振器323的一端边沿与x轴正方向夹角第三微带谐振器323的另一端边沿与x轴正方向夹角所有微带线宽度为3.0mm。
图6是本实施例具有滤波特性的圆极化缝隙天线的回波损耗和法向轴比仿真结果，该天线回波损耗具有陡峭的截止特性，其10dB回波损耗的频率范围为2.22GHz到2.58GHz，对应的相对带宽约为15.0％；3dB法向轴比的频率范围为2.28GHz到2.54GHz，对应的相对带宽约为10.8％。图7是本实施例具有滤波特性的圆极化缝隙天线在2.4GHz时两个正交平面内的远场辐射方向图仿真结果，由图不难发现，该天线具有圆极化纯度高、轴比波束宽度宽、交叉极化水平低的优点。图8是本实施例具有滤波特性的圆极化缝隙天线的增益仿真结果，由图可以看到，天线具有高选择性、高带外抑制性和带内增益变化较平缓的特性。
上述实施例是本发明的优选实施方式，但不能认定本发明的实施方式仅限于此，本领域普通技术人员在不脱离本发明精神实质与技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，都应视为属于由本发明所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (8)

1.一种具有滤波特性的圆极化缝隙天线，其特征在于，包括介质基板(1)、金属地(2)、微带结构(3)和分布电容(5)；
介质基板(1)的上表面设有金属地(2)；介质基板(1)的下表面设有微带结构(3)；
金属地(2)中间设有圆环形辐射缝隙(4)；圆环形辐射缝隙(4)将金属地(2)分隔成内侧金属和外侧金属；
分布电容(5)跨接于圆环形辐射缝隙(4)两边的内侧金属和外侧金属间。
2.根据权利要求1所述的一种具有滤波特性的圆极化缝隙天线，其特征在于，分布电容(5)由两段紧密相邻的第一弧形耦合金属线(51)和第二弧形耦合金属线(52)构成，第一弧形耦合金属线(51)和第二弧形耦合金属线(52)中线重合、张角相等、且与圆环形辐射缝隙(4)同心；第一弧形耦合金属线(51)连接内侧金属，第二弧形耦合金属线(52)连接外侧金属。
3.根据权利要求1所述的一种具有滤波特性的圆极化缝隙天线，其特征在于，微带结构(3)由顺序连接的输入微带线(31)、微带耦合线滤波器(32)、输出微带线(33)和圆形调谐贴片(34)构成。
4.根据权利要求3所述的一种具有滤波特性的圆极化缝隙天线，其特征在于，微带耦合线滤波器(32)包括第一微带谐振器(321)、第二微带谐振器(322)和第三微带谐振器(323)，第一微带谐振器(321)、第二微带谐振器(322)和第三微带谐振器(323)为弧形微带线，并与圆环形辐射缝隙(4)同心。
5.根据权利要求4所述的一种具有滤波特性的圆极化缝隙天线，其特征在于，第一微带谐振器(321)与第三微带谐振器(323)内径与外径相同，第二微带谐振器(322)外径小于第一微带谐振器(321)和第三微带谐振器(323)内径，且内径大于圆环形辐射缝隙(4)外径；第二微带谐振器(322)的张角与第一微带谐振器(321)和第三微带谐振器(323)的张角均部分重合；第一微带谐振器(321)与输入微带线(31)连接，第三微带谐振器(323)与输出微带线(33)连接。
6.根据权利要求3所述的一种具有滤波特性的圆极化缝隙天线，其特征在于，圆形调谐贴片(34)在金属地(2)上的投影与圆环形辐射缝隙(4)内圆相切。
7.根据权利要求1所述的一种具有滤波特性的圆极化缝隙天线，其特征在于，电磁信号由输入微带线(31)馈入微带耦合线滤波器(32)，经过滤波处理由输出微带线(33)耦合至圆环形辐射缝隙(4)，圆环形辐射缝隙(4)主模在分布电容(5)的微扰作用下，分裂成两个空间上正交、幅度上相等、相位上相差90°的简并模式，圆形调谐贴片(34)用于调节天线的阻抗匹配效果，进而实现兼具滤波和圆极化辐射特性的缝隙天线。
8.根据权利要求3所述的一种具有滤波特性的圆极化缝隙天线，其特征在于，介质基板(1)中线与圆形调谐贴片(34)以及输出微带线(33)中线重合；分布电容(5)中线与介质基板(1)中线的夹角为45°。
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