CN108232434A - 一种低剖面全向辐射滤波偶极子天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低剖面全向辐射滤波偶极子天线，包括介质基板，所述介质基板上表面印制偶极子贴片、馈电微带线及U型微带线，所述介质基板下表面印制有金属地板，所述金属地板上开有两个I型缝隙及缝隙馈电槽线，所述两条缝隙设置在缝隙馈电槽线的两侧；所述偶极子贴片由通过微带线连接线连接的两块金属贴片构成，所述U型微带线设置在微带线连接线的上方，所述馈电微带线设置在微带线连接线的下方。本发明克服传统滤波天线插损大，电路结构复杂的缺陷，并且由于全向辐射的特性使得应用更加广泛。
Description
技术领域
本发明涉及射频通信领域，具体涉及一种低剖面全向辐射滤波偶极子天线。
背景技术
随着通信技术的飞速发展，通信系统中器件趋向于集成化、多功能化、高性能，在射频前端方面也是如此。天线与滤波器是射频前端重要的电路元件，它们的性能与尺寸决定着系统的性能，因此需要将天线和带通滤波器集成，以提升射频前端的集成度。传统的方案是直接将滤波网络与天线级联实现滤波，这种设计方法的缺陷是引入一定的插损而且在一定程度上导致阻抗失配。
近些年来，已经提出了一些滤波器和天线的集成设计。设计滤波天线的一种方法是将滤波电路插入到天线中或者用天线辐射器替换末级滤波网络，这样可以将带通滤波器、巴伦滤波器、带陷滤波器和可重构滤波器成功的集成到天线设计中，从而能够实现高集成度。
但是，一些设计中，额外的滤波电路插入到天线馈电网络中，中间使用多余的阻抗变换器连接，这样不仅仅占用空间同时增加了电路设计的复杂度，在性能上引入额外的插入损耗并降低了天线增益。另外一种方法是不设计额外的滤波电路，通过在三角形的贴片上插入8个短路引脚在高频上实现辐射零点，使用这些短路引脚虽然保证了高频的频率选择性，但也引入了额外的插入损耗。
发明内容
为了克服现有技术中滤波天线插损大，电路结构复杂的缺陷，本发明提供一种低剖面全向辐射滤波偶极子天线。
本发明采用如下技术方案：
一种低剖面全向辐射滤波偶极子天线，包括介质基板，所述介质基板上表面印制偶极子贴片、馈电微带线及U型微带线，所述介质基板下表面印制有金属地板，所述金属地板上开有两条缝隙及一条缝隙馈电槽线，所述两条缝隙设置在缝隙馈电槽线的两侧；
所述偶极子贴片由通过微带线连接线连接的两块金属贴片构成，设置在介质基板上表面的U型微带线、馈电微带线及微带线连接线与设置金属地板上的缝隙馈电槽线形成耦合。
所述偶极子贴片由缝隙馈电槽线间接耦合馈电，所述缝隙馈电槽线由馈电微带线间接耦合馈电。
所述两块金属贴片均为矩形，所述两块金属贴片关于介质基板竖直方向中线对称设置。
所述微带馈电线一端为圆形结构，另一端为输入端口。
所述两条缝隙具体为I型缝隙，并关于缝隙馈电槽线对称，与U型微带线耦合，所述缝隙馈电槽线两端为圆形结构。
所述U型微带线关于介质基板竖直方向中线对称。
金属地板开有的两条I型缝隙与位于介质基板上表面的U型微带线分别产生独立控制的传输零点，实现通带可调的带通滤波功能。
调整U型微带线的尺寸单独控制一个传输零点产生的频率的位置，调整缝隙的长度和位置单独控制另一个传输零点产生频率的位置。
本发明的有益效果：
(1)通过添加非辐射特性和滤波特性的结构以及天线自身结构的特性，可以实现很好的带通滤波效果，同时也实现了天线通带内良好的辐射特性和通带外高抑制水平；
(2)滤波通带可根据实际需要调整U型微带线与I型缝隙结构的长度，以控制两个增益零点产生的频率位置；
(3)本发明具有低剖面和全向辐射的特性，应用场合广泛，覆盖范围大；
(4)本发明结构简单，而且可使用PCB加工技术使得设计成本低廉；由于没有复杂的滤波电路，本发明基础上设计的带通滤波贴片天线的插损非常低，可用于各类射频前端系统中，相比于目前的带通滤波天线设计方案而言，更有利于器件的低廉化、集成化。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的介质基板下表面的结构示意图；
图3是本发明用于对比的无滤波结构天线的的增益-频率仿真结果图；
图4是是本发明用于对比的添加U型微带线结构天线的增益-频率仿真结果图；
图5是本发明用于对比的添加I型缝隙结构天线的增益-频率仿真结果图；
图6是本发明滤波天线具体实施例与无滤波结构天线对比的增益-频率仿真结果图；
图7是本发明滤波天线具体实施例低频通带边沿增益零点与U型微带线长度关系的增益-频率仿真结果图；
图8是本发明滤波天线具体实施例高频通带边沿增益零点与I型缝隙长度关系的增益-频率仿真结果图；
图9是本发明滤波天线具体实施例的S11增益-频率实际测试结果图；
图10是本发明滤波天线具体实施例1在4.2GHz，phi＝0deg的辐射方向图；
图11是本发明滤波天线具体实施例1在4.2GHz，phi＝90deg的辐射方向图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1-图2所示，一种低剖面全向辐射滤波偶极子天线，包括介质基板，所述介质基板上表面印制偶极子贴片、馈电微带线1及U型微带线5。
所述偶极子贴片由通过微带线连接线2连接的两块金属贴片3、4构成，所述U型微带线设置在微带线连接线的上方，并相互垂直靠近形成耦合区域；所述馈电微带线设置在微带线连接线的下方，所述馈电微带线水平设置，一端为圆形结构，作用是调节阻抗匹配，另一端为输入端。
所述偶极子贴片的两块金属贴片均为矩形，所述两块金属贴片关于介质基板竖直方向中线对称设置。
所述介质基板下表面印制有金属地板7，所述金属地板7上开有两条I型缝隙8、9及一条缝隙馈电槽线6，所述两条I型缝隙设置在缝隙馈电槽线的两侧，且垂直于介质基板上表面的微带线连接线，形成耦合，所述缝隙馈电槽线的两端为圆形结构，且垂直于上表面的微带线连接线，设置在介质基板上表面的U型微带线、馈电微带线及微带线连接线与设置金属地板上的缝隙馈电槽线形成耦合。
所述U型微带线位于介质基板上表面并关于介质基板竖直方向中线对称设置，与介质基板下表面的缝隙馈电槽线形成耦合。
偶极子贴片由缝隙馈电槽线间接耦合馈电，所述缝隙馈电槽线由馈电微带线间接耦合馈电，实现由微带线到地板槽线再到偶极子贴片的馈电方式，并且通过金属地板上两个I型缝隙与U型微带线分别产生两个可独立控制的传输零点，实现通带可调的带通滤波功能。
本实施例中两条I型缝隙的中点与缝隙馈电槽线的中点在一条水平直线上。
通过控制缝隙馈电槽线两端圆形结构的半径大小实现阻抗匹配；通过调整“I”型缝隙和“U”型微带线的尺寸以及位置实现可控的带通滤波效果。
本实施例中缝隙馈电槽线具体为一条两端为圆形结构的直线槽构成。
本发明介质基板是一块长宽高分别为54.78mm、59.53mm、0.508mm的PCB介质基板，通过在该PCB介质基板的底面印刷铜并镀锡防止氧化来形成金属地板。
由于工作频段不同，本发明中的电路尺寸也不同，本实施例中的电路尺寸具体参数如下：
W1＝1.2mm,W2＝0.8mm,W3＝0.3mm,W4＝4.0mm,L1＝4.5mm,L2＝7.0mm,L3＝4.8mm,L4＝13.5mm,L5＝28.3mm,L6＝11.5mm,L7＝2.0mm,L8＝8.0mm,介质基板的厚度为0.508mm,GL＝40.0mm,GW＝8.0mm,R1＝1.6mm,R2＝1.7mm。
如图1-2所示，非辐射滤波结构包括“U”型微带线和“I”型缝隙，为了进一步分析它们的作用，将以图3-图6阐明它们的作用。
如图3所示，是本发明一个实施例提供的低剖面全向辐射滤波偶极子天线去掉滤波结构后的反射系数S11-频率和增益曲线-频率的仿真结果图。
如图4所示，是本发明一个实施例提供的低剖面全向辐射滤波偶极子天线在图2的基础上加入了“U”型微带线的反射系数S11-频率和增益曲线-频率的仿真结果图。天线可以在通带低频边沿产生快速的滚降效果以及通带外的辐射抑制效果。
如图5所示，是本发明一个实施例提供的低剖面全向辐射滤波偶极子天线在图2的基础上加入了“I”型缝隙后的反射系数S11-频率和增益曲线-频率的仿真结果图。可以在通带高频边沿产生一个传输零点和快速的滚降效果以及通带外的辐射抑制效果。至此，实现了良好的带通滤波效果。
如图6所示，是本发明一个实施例提供的低剖面全向辐射滤波偶极子天线在加上滤波结构前后的反射系数S11-频率和增益曲线-频率的仿真结果对比图，可以看到同时在通带高频边沿以及低频边沿产生两个传输零点和快速的滚降效果以及通带外的辐射抑制效果。至此，实现了良好的带通滤波效果。
如图7-8所示，是本发明一个实施例提供的低剖面全向辐射滤波偶极子天线取“U”型微带线的长度L4和“I”型缝隙的长度L6不同值时的反射系数S11-频率和增益曲线-频率的仿真结果图。由图可知，调整高低频的传输零点位置，可以自由改变通带的宽度并且同样实现良好的带通滤波效果。
如图9所示，是本发明一个实施例提供的低剖面全向辐射滤波偶极子天线的反射系数S11-频率和增益曲线-频率的实测结果图。
如图10-11所示，是本发明一个实施例提供的低剖面全向辐射滤波偶极子天线在4.2GHZ下天线单元在E平面和H平面的辐射方向图的测量值，说明该天线实现了全向辐射的特性。
本发明实施例具有如下优点：
1、集成滤波特性和辐射特性，天线阵列自身有滤波性能，通带边缘陡峭，边带抑制明显，具有良好的频率选择特性，通过改变“U”型微带线的长度以及地板上“I”型缺陷结构的长度实现通带可控的带通滤波效果，相对于级联的滤波天线电路和其他集成滤波天线电路具有紧凑的尺寸和更低的插损。
2、本发明具有全向辐射特性的无额外滤波电路的滤波天线，其应用场合广泛，覆盖范围大。
3、整个结构主要由金属贴片和地板槽线组成，结构简单，设计简便，可以采用廉价的PCB技术加工，成本较低，因此更有利于射频前端电路的集成化。
本发明提供的实施例可根据需求对相关结构的尺寸进行调整而适应不同的频带的无线通信系统的接收和发射设备中，由于本发明的滤波特性，特别适用于在开阔复杂的通信场景中。同时受益于滤波特性与辐射特性的集成，本发明也适用于无线移动通信系统设备的一体化和集成化。
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所述实施例的限制，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)
1.一种低剖面全向辐射滤波偶极子天线，其特征在于，包括介质基板，所述介质基板上表面印制偶极子贴片、馈电微带线及U型微带线，所述介质基板下表面印制有金属地板，所述金属地板上开有两条缝隙及一条缝隙馈电槽线，所述两条缝隙设置在缝隙馈电槽线的两侧；
所述偶极子贴片由通过微带线连接线连接的两块金属贴片构成，设置在介质基板上表面的U型微带线、馈电微带线及微带线连接线与设置金属地板上的缝隙馈电槽线形成耦合。
2.根据权利要求1所述的低剖面全向辐射滤波偶极子天线，其特征在于，所述偶极子贴片由缝隙馈电槽线间接耦合馈电，所述缝隙馈电槽线由馈电微带线间接耦合馈电。
3.根据权利要求1所述的低剖面全向辐射滤波偶极子天线，其特征在于，所述两块金属贴片均为矩形，所述两块金属贴片关于介质基板竖直方向中线对称设置。
4.根据权利要求1所述的低剖面全向辐射滤波偶极子天线，其特征在于，所述微带馈电线一端为圆形结构，另一端为输入端口。
5.根据权利要求1所述的低剖面全向辐射滤波偶极子天线，其特征在于，所述两条缝隙具体为I型缝隙，并关于缝隙馈电槽线对称，与U型微带线耦合，所述缝隙馈电槽线两端为圆形结构。
6.根据权利要求1所述的低剖面全向辐射滤波偶极子天线，其特征在于，所述U型微带线关于介质基板竖直方向中线对称。
7.根据权利要求1所述的低剖面全向辐射滤波偶极子天线，其特征在于，金属地板开有的两条I型缝隙与位于介质基板上表面的U型微带线分别产生独立控制的传输零点，实现通带可调的带通滤波功能。
8.根据权利要求1所述的低剖面全向辐射滤波偶极子天线，其特征在于，调整U型微带线的尺寸单独控制一个传输零点产生的频率的位置，调整缝隙的长度和位置单独控制另一个传输零点产生频率的位置。
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