CN107978854A - 一种基于中心短路t字形谐振器的双工滤波天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于中心短路T字形谐振器的双工滤波天线，包括上层介质基板，下层介质基板，印刷在上层介质基板上表面的堆叠的正方形寄生贴片，印刷在下层介质基板上表面的正方形微带贴片，分别加载在正方形微带贴片两侧的发射通道馈电网络和接收通道馈电网络，与发射通道馈电网络分布在同一侧并与发射通道馈电网络相连接的发射端口，与接收通道馈电网络分布在同一侧并与接收通道馈电网络相连接的接收端口，印刷在下层介质基板下表面的反射地板。所述天线引入中心短路T字形谐振器作为馈电网络，堆叠贴片作为辐射单元，具有频分双工功能，能够实现发射和接收同时进行，且天线的发射与接收使用的电磁波均为线极化电磁波。

Description

一种基于中心短路T字形谐振器的双工滤波天线
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于中心短路T字形谐振器的双工滤波天线。
背景技术
天线作为发射和接收电磁波的设备，是无线通信系统中不可缺少的关键组成部分。天线本身具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。在早期的无线通信系统中，天线需要通过支架架高来获得远的通信距离。由于无线收发信机体积和重量都较大，为了减轻架高的天线的重量，通常将天线和收发信机分离开，两者通过射频电缆即馈线相连接，收发信机的内部通过微波隔离器件如射频开关、环形器、定向耦合器和双工器等来将传送给天线的发射通道的信号以及通过天线接收下来的接收通道的信号分离开来。在这样的系统中，天线和收发信机都需要外加匹配网络与馈线来相匹配，从而使得整个系统体积大、重量重，尤其由馈线和匹配网络带来的损耗会极大地降低信号的传送效率。
随着现代无线通信的发展，系统的小型化与集成化逐渐成为了新的发展趋势。近年来，随着器件联合设计方法的不断涌现，为系统的小型化与集成化设计提供了许多有效的实现路径。作为无线通信系统前端将有线信号与无线信号进行相互转换的重要器件，天馈系统的小型化与集成化也一直是学术领域以及工业界关注的焦点。双工天线联合了天线与双工器的设计理论，使得双工器与天线的设计不再相互独立。双工天线相对于单纯的双工器与天线的级联，其工作带宽，带外抑制等各方面的性能均有所提升。随着双工天线研究的不断深入，天线、滤波器、双工器等射频前端器件进行一体化设计，实现结构更紧凑、性能更优的一体化天馈系统成为了可能。
双工天线用一个部件同时实现无线电磁波的发射和接收、收发分离及抗干扰的功能，可实现一体化无线设备的高效率、低成本和轻量化，能广泛应用于北斗导航、射频识别、WLAN、FDD-LTE移动通信终端或一体化中继和室内基站等设备，相关的技术科研作为5G移动通信技术的储备。双工天线的研究成果具有很大的产业化背景，对通信产业具有促进作用。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种基于中心短路T字形谐振器的双工滤波天线，所述天线具有阻抗带宽宽的优点，发射与接受通道百分比带宽都达到了7.7％以上，同时具有带外抑制好的优点，对高次谐波有很好的抑制效果。
本发明的目的可以通过如下技术方案实现：
一种基于中心短路T字形谐振器的双工滤波天线，包括上层介质基板，下层介质基板，印刷在上层介质基板上表面的堆叠的正方形寄生贴片，印刷在下层介质基板上表面的正方形微带贴片，分别加载在正方形微带贴片两侧的发射通道馈电网络和接收通道馈电网络，与发射通道馈电网络分布在正方形微带贴片同一侧并与发射通道馈电网络相连接的发射端口，与接收通道馈电网络分布在正方形微带贴片同一侧并与接收通道馈电网络相连接的接收端口，以及印刷在下层介质基板下表面的反射地板。
进一步地，所述堆叠的正方形寄生贴片和正方形微带贴片的几何中心在一条垂直直线上。
进一步地，所述发射通道馈电网络包括发射通道馈电线和发射通道中心短路T字形谐振器，发射通道中心短路T字形谐振器包括发射通道T字形谐振器短路线、发射通道T字形谐振器枝节和第一短路柱，所述接收通道馈电网络包括接收通道馈电线和接收通道中心短路T字形谐振器，接收通道中心短路T字形谐振器包括接收通道T字形谐振器短路线、接收通道T字形谐振器枝节和第二短路柱。
进一步地，所述第一短路柱和第二短路柱穿过下层介质基板和反射地板，第一短路柱与发射通道T字形谐振器短路线相切于靠近正方形微带贴片的一边，第二短路柱的圆心位于接收通道T字形谐振器短路线的几何中心。
进一步地，所述发射通道T字形谐振器短路线和发射通道T字形谐振器枝节呈T字形连接在一起，所述接收通道T字形谐振器短路线和接收通道T字形谐振器枝节呈T字形连接在一起，发射通道T字形谐振器短路线、发射通道T字形谐振器枝节、第一短路柱、接收通道T字形谐振器短路线、接收通道T字形谐振器枝节、第二短路柱与正方形微带贴片的对称轴在一条水平直线上，且该条水平直线垂直于正方形微带贴片的边缘。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明将发射通道T字形谐振器短路线、发射通道T字形谐振器枝节和堆叠的正方形寄生贴片、正方形微带贴片经发射端口馈电，将接收通道T字形谐振器短路线、接收通道T字形谐振器枝节和堆叠的正方形寄生贴片、正方形微带贴片经接收端口馈电，第一短路柱、第二短路柱分别对发射通道中心短路T字形谐振器和接收通道中心短路T字形谐振器进行短路，印刷在上层介质基板上表面的堆叠的正方形寄生贴片和印刷在下层介质基板上表面的正方形微带贴片能产生一个具有两个谐振模式的单极化贴片天线；发射通道中心短路T字形谐振器和具有两个谐振模式的单极化贴片天线的低频谐振模式相耦合产生的发射天线使得频率为f发的接收信号能够通过，频率为f收的接收信号不能通过；接收通道中心短路T字形谐振器和具有两个谐振模式的单极化贴片天线的高频谐振模式相耦合产生的发射天线使得频率为f收的接收信号能够通过，而频率为f接的接收信号不能通过。由此设计了一个具有两个谐振模式的单一线极化的贴片天线，且两个谐振模式的频点间隔很近，便于实现发射接收频率间隔近的频分双工天线。
2、本发明在发射通道馈电网络和接收通道馈电网络中，发射通道引入的中心短路T字形谐振器和两个贴片在低频处耦合形成3阶谐振模式，接收通道引入的中心短路T字形谐振器和两个贴片在高频处耦合形成3阶谐振模式；由此设计出的双工滤波天线具有阻抗带宽宽的优点，发射与接收通道百分比带宽都达到了7.7％以上，同时具有带外抑制好的优点，对高次谐波有很好的抑制效果。
3、本发明在正方形微带贴片上堆叠了一块正方形寄生贴片，由此设计出的双工滤波天下具有高增益的有点，同时由于发射通道引入的中心短路T字形谐振器和两个贴片在低频处耦合形成3阶谐振模式，接收通道引入的中心短路T字形谐振器和两个贴片在高频处耦合处形成3阶谐振模式，该天线在带内增益平坦，带外增益衰减快，在通带以外有辐射零点。
附图说明
图1为本发明实施例双工滤波天线的总结构、各组成部分的标号标注和介质基板的尺寸标注图。
图2为本发明实施例上层介质基板上表面的俯视图及尺寸标注。
图3为本发明实施例下层介质基板下表面的仰视图、标号标注及尺寸标注。
图4为本发明实施例下层介质基板上表面的俯视图及标号标注。
图5为本发明实施例下层介质基板上表面的俯视图及尺寸标注。
图6为本发明实施例双工滤波天线的仿真S参数曲线图。
图7为本发明实施例双工滤波天线的仿真S参数带外曲线图。
图8为本发明实施例双工滤波天线的仿真增益随频率变化曲线图。
图9为本发明实施例发射端口在2.45GHz激励下的yoz面仿真方向图。
图10为本发明实施例发射端口在2.45GHz激励下的xoz面仿真方向图。
图11为本发明实施例接收端口在2.9GHz激励下的yoz面仿真方向图。
图12为本发明实施例接收端口在2.9GHz激励下的xoz面仿真方向图。
其中，1-堆叠的正方形寄生贴片，2-正方形微带贴片，3-发射通道T字形谐振器短路线，4-发射通道T字形谐振器枝节，5-发射通道馈电线，6-发射端口，7-接收通道T字形谐振器短路线，8-接收通道T字形谐振器枝节，9-接收通道馈电线，10-接收端口，11-第二短路柱，12-第一短路柱，13-上层介质基板，14-下层介质基板，15-反射地板。
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：
本实施例提供了一种基于中心短路T字形谐振器的双工滤波天线，总结构如图1所示，包括上层介质基板(13)，下层介质基板(14)，印刷在上层介质基板(13)上表面的堆叠的正方形寄生贴片(1)，如图2所示；印刷在下层介质基板(14)上表面的正方形微带贴片(2)，分别加载在正方形微带贴片(2)两侧的发射通道馈电网络和接收通道馈电网络，与发射通道馈电网络分布在正方形微带贴片(2)同一侧并与发射通道馈电网络相连接的发射端口(6)，与接收通道馈电网络分布在正方形微带贴片(2)同一侧并与接收通道馈电网络相连接的接收端口(10)，如图4和图5所示；以及印刷在下层介质基板(14)下表面的反射地板(15)。
其中，所述堆叠的正方形寄生贴片(1)和正方形微带贴片(2)的几何中心在一条垂直直线上。所述发射通道馈电网络包括发射通道馈电线(5)和发射通道中心短路T字形谐振器，发射通道中心短路T字形谐振器包括发射通道T字形谐振器短路线(3)、发射通道T字形谐振器枝节(4)和第一短路柱(12)，所述接收通道馈电网络包括接收通道馈电线(9)和接收通道中心短路T字形谐振器，接收通道中心短路T字形谐振器包括接收通道T字形谐振器短路线(7)、接收通道T字形谐振器枝节(8)和第二短路柱(11)。如图3所示，所述第一短路柱(12)和第二短路柱(11)穿过下层介质基板(14)和反射地板(15)，第一短路柱(12)与发射通道T字形谐振器短路线(3)相切于靠近正方形微带贴片(2)的一边，第二短路柱(11)的圆心位于接收通道T字形谐振器短路线(7)的几何中心。所述发射通道T字形谐振器短路线(3)和发射通道T字形谐振器枝节(4)呈T字形连接在一起，所述接收通道T字形谐振器短路线(7)和接收通道T字形谐振器枝节(8)呈T字形连接在一起，发射通道T字形谐振器短路线(3)、发射通道T字形谐振器枝节(4)、第一短路柱(12)、接收通道T字形谐振器短路线(7)、接收通道T字形谐振器枝节(8)、第二短路柱(11)与正方形微带贴片(2)的对称轴在一条水平直线上，且该条水平直线垂直于正方形微带贴片(2)的边缘。
当要求f发＝2.45GHz，f收＝2.9GHz时，可以采用相对介电常数为2.55、厚度c＝0.8mm的介质板做介质基板，介质基板间空气层高度h＝3mm，堆叠的正方形寄生贴片(1)的长度取1a＝1b＝43mm，贴片边缘距上层介质基板(13)边缘lc＝20mm，正方形微带贴片(2)的长度2a＝2b＝35mm，两个贴片的几何中心在同一条垂直直线上。发射通道T字形谐振器短路线(3)的长度3a＝46mm，宽度3b＝0.5mm，发射通道T字形谐振器短路线(3)与正方形微带贴片(2)之间的耦合缝隙3c＝1mm，发射通道T字形谐振器枝节(4)的长度4a＝20.1mm，宽度4b＝4mm、发射通道T字形谐振器枝节(4)的对称轴与发射通道T字形谐振器短路线(3)的对称轴在一条水平直线上，且该直线垂直于正方形微带贴片(2)的边缘。第一短路柱(12)的直径12a＝1.6mm，与发射通道T字形谐振器短路线(3)相切，圆心距发射通道T字形谐振器短路线(3)边缘0.8mm，发射通道馈电线(5)的长度5b＝18mm，宽度5c＝0.3mm，距离发射通道T字形谐振器短路线(3)的距离5a＝4mm，距离发射通道T字形谐振器枝节(4)的距离4c＝0.3mm，发射端口(6)是50欧姆微带线，长度6b＝5.5mm，宽度6a＝2.24mm。接收通道T字形谐振器短路线(7)长度7a＝35mm，宽度7b＝1mm，接收通道T字形谐振器短路线(7)与正方形微带贴片(2)之间的耦合缝隙7c＝0.2mm，接收通道T字形谐振器枝节(8)长度8a＝17.4mm，宽度8b＝0.4mm、接收通道T字形谐振器枝节(8)的对称轴与接收通道T字形谐振器短路线(7)的对称轴在一条水平直线上，且该直线垂直于正方形微带贴片(2)的边缘。第二短路柱(11)直径11a＝0.8mm，圆心位于T字形谐振器短路线(7)的几何中心，圆心距接收通道T字形谐振器短路线(7)边缘0.5mm，接收通道馈电线(9)的长度9b＝13.8mm，宽度9c＝2.3mm，距接收通道T字形谐振器短路线(7)的距离9a＝4mm，距离接收通道T字形谐振器枝节(8)的距离8c＝0.2mm。接收端口(10)是50欧姆微带线，长度10b＝5mm，宽度10a＝2.24mm。
当发射时，信号从发射端口(6)送入，经过发射通道馈电线(5)耦合馈电给发射通道T字形谐振器枝节(4)、发射通道T字形谐振器短路线(3)组成的发射通道馈电网络将信号传递给正方形微带贴片(2)，最后由正方形微带贴片(2)耦合信号给堆叠的正方形寄生贴片(1)辐射出去。
当接收时，接收信号从堆叠的正方形寄生贴片(1)接收，堆叠的正方形寄生贴片(1)将接收到的信号耦合给正方形微带贴片(2)，再将信号传递给接收通道T字形谐振器短路线(7)、接收通道T字形谐振器枝节(8)、接收通道馈电线(9)，最后从接收端口(10)输出。
图1、图2、图3、图4、图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，圆孔为短路柱结构，其余部分为介质基板。
结合图1、图2、图3、图4、图5的尺寸标注，本实施例中天线的具体参数如下：两个介质基板的材料和尺寸相同，厚度c为0.8mm，宽度b为83mm，长度a为88mm，两个介质基板之间的高度h为3mm。堆叠的正方形寄生贴片(1)的边长1a和1b为43mm，距离介质基板边缘的间距1c为20mm。正方形微带贴片(2)的边长2a和2b为35mm，发射通道T字形谐振器短路线(3)长度3a取46mm，宽度3b取0.5mm，发射通道T字形谐振器短路线(3)与正方形微带贴片(2)之间的耦合缝隙3c为1mm，发射通道T字形谐振器枝节(4)长度4a取20.1mm，宽度4b取4mm、发射通道T字形谐振器枝节(4)对称轴与发射通道T字形谐振器短路线(3)对称轴在一条水平直线上，且该直线垂直于贴片边缘。第一短路柱(12)直径12a为1.6mm，与发射通道T字形谐振器短路线(3)相切，圆心距发射通道T字形谐振器短路线(3)边缘0.8mm，发射通道馈电线(5)长度5b为18mm，宽度5c为0.3mm，与发射通道T字形谐振器短路线(3)距离5a为4mm，与发射通道T字形谐振器枝节(4)距离4c为0.3mm。发射端口(6)是50欧姆微带线，长度6b为5.5mm，宽度6a为2.24mm。接收通道T字形谐振器短路线(7)长度7a取35mm，宽度7b取1mm，接收通道T字形谐振器短路线(7)与正方形微带贴片(2)之间的耦合缝隙7c为0.2mm，接收通道T字形谐振器枝节(8)长度8a取17.4mm，宽度8b取0.4mm、接收通道T字形谐振器枝节(8)对称轴与接收通道T字形谐振器短路线(7)对称轴在一条水平直线上，且该直线垂直于贴片边缘。第二短路柱(11)直径为0.8mm，圆心位于T字形谐振器短路线(7)几何中心，圆心距接收通道T字形谐振器短路线(7)边缘0.5mm，接收通道馈电线(9)长度9b为13.8mm，宽度9c为2.3mm，与接收通道T字形谐振器短路线(7)距离9a为4mm，与接收通道T字形谐振器枝节(4)距离8c为0.2mm。接收端口(10)是50欧姆微带线，长度10b为5mm，宽度10a为2.24mm。
该天线的发射端口(6)工作在2.45GHz的频带，接收端口(10)工作在2.9GHz的频带在两个频带内，；两个端口的隔离度均大于28dB，如图6所示；带外谐波抑制均小于0.6dB，如图7所示；在天线的发射端口(6)工作时，天线在发射端口(6)工作频率为2.45GHz处的增益为5.9dBi，在天线的接收端口(10)工作时，天线在接收端口(10)工作频率为2.9GHz处的增益为6.9dBi，如图8所示；在两个工作频带范围内，天线的增益基本上都大于5.8dBi，交叉极化大于24dB，且都是关于x方向的线极化波，如图9、图10、图11、图12所示。
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专利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 (5)

1.一种基于中心短路T字形谐振器的双工滤波天线，其特征在于：包括上层介质基板，下层介质基板，印刷在上层介质基板上表面的堆叠的正方形寄生贴片，印刷在下层介质基板上表面的正方形微带贴片，分别加载在正方形微带贴片两侧的发射通道馈电网络和接收通道馈电网络，与发射通道馈电网络分布在正方形微带贴片同一侧并与发射通道馈电网络相连接的发射端口，与接收通道馈电网络分布在正方形微带贴片同一侧并与接收通道馈电网络相连接的接收端口，以及印刷在下层介质基板下表面的反射地板。
2.根据权利要求1所述的一种基于中心短路T字形谐振器的双工滤波天线，其特征在于：所述堆叠的正方形寄生贴片和正方形微带贴片的几何中心在一条垂直直线上。
3.根据权利要求1所述的一种基于中心短路T字形谐振器的双工滤波天线，其特征在于：所述发射通道馈电网络包括发射通道馈电线和发射通道中心短路T字形谐振器，发射通道中心短路T字形谐振器包括发射通道T字形谐振器短路线、发射通道T字形谐振器枝节和第一短路柱，所述接收通道馈电网络包括接收通道馈电线和接收通道中心短路T字形谐振器，接收通道中心短路T字形谐振器包括接收通道T字形谐振器短路线、接收通道T字形谐振器枝节和第二短路柱。
4.根据权利要求3所述的一种基于中心短路T字形谐振器的双工滤波天线，其特征在于：所述第一短路柱和第二短路柱穿过下层介质基板和反射地板，第一短路柱与发射通道T字形谐振器短路线相切于靠近正方形微带贴片的一边，第二短路柱的圆心位于接收通道T字形谐振器短路线的几何中心。
5.根据权利要求4所述的一种基于中心短路T字形谐振器的双工滤波天线，其特征在于：所述发射通道T字形谐振器短路线和发射通道T字形谐振器枝节呈T字形连接在一起，所述接收通道T字形谐振器短路线和接收通道T字形谐振器枝节呈T字形连接在一起，发射通道T字形谐振器短路线、发射通道T字形谐振器枝节、第一短路柱、接收通道T字形谐振器短路线、接收通道T字形谐振器枝节、第二短路柱与正方形微带贴片的对称轴在一条水平直线上，且该条水平直线垂直于正方形微带贴片的边缘。
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