CN108574140A - 滤波天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种滤波天线，包括平面印刷天线模块，其中，所述平面印刷天线模块包括：第一介质板；印制于第一介质板上表面的辐射单元；安置在第一介质板下方的第二介质板；印制于第二介质板下表面的地板；双层滤波组件；其中，所述双层滤波组件作为天线馈线的一部分，连接在天线馈线与辐射单元之间。本发明的滤波天线，可以解决现有小型化滤波天线带外抑制频带过窄的问题。

Description

滤波天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种滤波天线，尤其涉及一种可用于射频识别、雷达及无线通信在复杂电磁环境下电磁波的接收和发射的滤波天线。

背景技术

近年来，无线通信系统发生了翻天覆地的变化，各式各样的新技术不断涌现并快速进入商用。自4G牌照正式发放以来，当前在国内通用的通信系统标准主要有：全球移动通信系统(GSM)、分布式控制系统(DCS)、个人手持式电话系统(PHS)、码分多址2000(CDMA2000)、时分同步码分多址(TD-SCDMA)、宽带码分多址(WCDMA)、分时长期演进(TD-LTE)、频分长期演进(FDD-LTE)等。无线通信设备逐渐朝着轻便化、低价格和高性能的方向发展。

作为射频前端电路最重要的两个无源元器件，滤波器和天线的设计一直是学者们研究的重点和热点。一方面，性能良好的滤波器可以滤除不需要的信号，在振荡、放大、倍频和混频电路得到广泛应用。针对巴特沃兹、切比雪夫等经典的滤波器综合理论已经十分成熟。伴随高频结构仿真(HFSS)、计算机仿真技术(CST)等电磁仿真软件的广泛应用，滤波器的设计变得越来越便捷，微带滤波器的发展尤为迅速。另一方面，设计优良的天线可以作为传感器、变换器、辐射器、换能器。发射天线将传输线上的电信号转化成电磁波并将其发射到自由空间中；接收天线则接收自由空间中的入射电磁波，然后将其转化成电信号在传输线上传播。传统设计方法中，滤波器和天线作为两个独立子系统级联于射频前端电路，有的系统还需要巴伦完成单端信号与差分信号的转换。为了消除端口之间的影响，通常由同轴线、波导或微带传输线连接。这种分立器件级联的方式可能造成滤波器和天线端口不匹配，严重影响天线的辐射效率和方向性，同时由于匹配电路的存在，使得电路变得复杂，尺寸和损耗变大。

如果将天线和滤波器进行集成设计成滤波天线，使得天线具有辐射和滤波功能，可以有效减小三维封装尺寸和面积，进一步实现无线通信系统的小型化。将天线和滤波器作为整体器件设计成滤波天线，滤波天线不仅具有辐射、阻抗匹配、滤波和平衡转换功能，而且可以减小电路尺寸使系统结构更加紧凑，具有重要的实用价值，而宽带外抑制效果可使天线在复杂电磁环境中的工作性能更加稳定。因此国内外研究者们对滤波天线进行了深入的研究，例如Neema C Babu和Sreedevi K Menon于2016年在美国电气和电子工程师协会会议论文(IEEE Conference Publications)上发表的论文“基于用于无线保真应用的滤波器天线的开环谐振器的设计”(“Design of an Open Loop Resonator based FilterAntenna for WiFi Applications”)中设计了一款耦合型带通滤波器，并基于此设计了一款滤波天线，其具有结构简单且小型化的特点，其在工作频点附近具有良好的滤波效果，但是其带外抑制仅为不到2个倍频，没有达到宽带抑制的效果；又如Guang-Hua Sun,Sai-WaiWong,Lei Zhu,和Qing-Xin Chu于2016年在美国电气和电子工程师协会天线和无线传播期刊(IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters)上发表的论文“具有良好抑制上谐波带的紧凑型印刷滤波天线”(“A Compact Printed Filtering Antenna With GoodSuppression of Upper Harmonic Band”)中设计了一款基于宽阻带低通滤波器的滤波天线，其工作中心频率为2.9GHz，在14GHz内都达到了良好的带外抑制效果，但是其滤波结构的尺寸大，作为馈线加入天线结构后，使天线的整体尺寸更大，无法实现小型化的特性，限制了其应用范围。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出一种小型化宽阻带滤波天线，用于解决现有小型化滤波天线带外抑制频带过窄的问题。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供的滤波天线包括平面印刷天线模块，其中，所述平面印刷天线模块包括：第一介质板；印制于第一介质板上表面的辐射单元；安置在第一介质板下方的第二介质板；印制于第二介质板下表面的地板；双层滤波组件；其中，所述双层滤波组件作为天线馈线的一部分，连接在天线馈线与辐射单元之间。

其中，所述双层滤波组件包括：印制于所述第一介质板上表面且与所述辐射单元电连接的阶梯阻抗谐振器；设置于所述第二介质板上且位于所述阶梯阻抗谐振器下方的通孔结构。

优选的，所述阶梯阻抗谐振器为U型阶梯阻抗谐振器，具有矩形阻抗器。

其中，所述通孔结构包括：印制于所述第二介质板上表面的金属贴片，位于所述阶梯阻抗谐振器的矩形阻抗器的正下方；开设于所述第二介质板上的金属通孔，位于金属贴片的下方；其中，所述金属贴片通过所述金属通孔与所述地板电连接。

优选的，所述金属贴片为矩形金属贴片。

其中，所述矩形金属贴片的尺寸与所述矩形阻抗器的尺寸相同。

其中，根据滤波天线的工作频带确定所述辐射单元的形状及尺寸。

优选的，所述辐射单元为三角形辐射贴片。

或者，所述辐射单元为Γ型辐射贴片。

或者，所述辐射单元为圆型辐射贴片。

与现有技术相比，本发明的滤波天线具有如下优点：

1、本发明的滤波天线，由于使用小型化的双层滤波组件替代原天线的馈线部分，从而在不增加天线整体尺寸的前提下实现滤波的功能。

2、本发明的双层滤波组件具有宽阻带的特点，因此实现了良好的带外抑制效果。

附图说明

图1为本发明滤波天线实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例1的辐射单元的结构示意图；

图3为本发明中双层滤波组件的侧视图；

图4为本发明中双层滤波组件局部透视图；

图5为没有通孔结构的单层滤波结构的示意图；

图6为本发明中双层滤波组件的俯视图；

图7为本发明的双层滤波组件与一般单层滤波结构S参数仿真对比图；

图8为本发明实施例1的天线S11仿真结果图；

图9为本发明实施例1的天线增益仿真结果图；

图10为本发明实施例1的天线方向图仿真结果图；

图11为本发明滤波天线实施例2的主视图；

图12为本发明实施例2的辐射单元的示意图；

图13为本发明实施例2的天线S11仿真结果图；

图14为本发明实施例2的天线增益仿真结果图；

图15为本发明实施例2的天线方向图仿真结果图；

图16为本发明滤波天线实施例3的示意图；

图17为本发明实施例3的天线S11仿真结果图；

图18为本发明实施例3的天线增益仿真结果图；

图19为本发明实施例3的天线方向图仿真结果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，应当理解，以下所说明的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、图11、图16所示，分别为本发明提供的小型化宽阻带滤波天线的三种结构示意图，所述滤波天线包括平面印刷天线模块，由图可知，本发明的平面印刷天线模块包括：第一介质板4；印制于第一介质板4上表面的辐射单元1；安置在第一介质板4下方的第二介质板5；印制于第二介质板5下表面的地板3；以及用于实现宽带外抑制的双层滤波组件2；其中，双层滤波组件2作为天线馈线的一部分，连接在天线馈线与辐射单元1之间。

本发明使用平面印刷天线实现辐射，并用小型化宽阻带低通滤波组件代替天线的原始馈线，从而在不增加天线整体尺寸的前提下实现宽带外抑制。

下面结合附图和3个实施例，对本发明的滤波天线的结构作详细描述。

实施例1

参照图1，为本发明滤波天线的第一个实施例的结构示意图。由图1可知，本发明的滤波天线包括上下安置的第一介质板4和第二介质板5，在第一介质板4上表面印制辐射单元1和与辐射单元1电连接的用于实现宽带外抑制的双层滤波组件2，该双层滤波组件2为低通滤波组件，在第二介质板5下表面印制地板3，其中，为保证天线整体大小不增加，本发明采用双层滤波组件2作为天线馈线的一部分，连接在天线馈线之间。

具体的，如图1、图3、图4所示，本发明的双层滤波组件包括阶梯阻抗谐振器21和通孔结构22。其中，阶梯阻抗谐振器21印制于第一介质板4上表面且与辐射单元1电连接，该阶梯阻抗谐振器为U型阶梯阻抗谐振器，其具有U形阻抗器和与U形阻抗器的一对伸出臂连接且沿伸出臂方向朝前延伸的一对矩形阻抗器211，U形阻抗器伸出臂的宽度W2小于矩形阻抗器211的宽度W3，U形阻抗器伸出臂的外边缘与对应的矩形阻抗器外边缘平齐。通孔结构22设置于第二介质板5上且位于阶梯阻抗谐振器21下方，用于降低天线的截止频率，拓宽天线的阻带倍频。

其中，参照图3，所述通孔结构22位于第二介质版5中，该通孔结构22包括：印制于第二介质板5上表面的金属贴片221，其为矩形金属贴片，位于阶梯阻抗谐振器21的矩形阻抗器211的正下方；开设于第二介质板5上的金属通孔222，位于金属贴片221的下方，沿第二介质板5厚度方向贯穿第二介质板5，可在第二介质板5上开设通孔，再通过现有技术的工艺方法将第二介质板5的通孔处镀上一层金属，以便导电；其中，金属贴片221通过金属通孔222与地板3电连接。在本实施例中，矩形金属贴片221的尺寸与矩形阻抗器211相同。

本实施例中，第一介质板4的厚度H1＝0.2mm，第二介质板5的厚度H2＝0.5mm，两介质板均采用FR-4材料，尺寸相同、均为75mm×42mm。

其中，本发明的辐射单元1的形状及尺寸由滤波天线的工作频带决定，本实施例中，辐射单元1采用三角形辐射贴片，参照图2，三角形辐射贴片的用于与U型阶梯阻抗谐振器21连接的尖角处被加工为矩形，其中三角形辐射贴片的几何尺寸如下：底边M＝35mm，高N＝28mm，矩形宽W4＝0.5mm，矩形长G＝0.5mm。

为了说明通孔结构22的作用，本发明给出了如图5所示的无通孔结构22的滤波结构示意图。该滤波结构与本发明所用的双层滤波组件相比，为单层介质基板结构。其U形阶梯阻抗谐振器的尺寸与实施例1中相同，且介质基板的厚度H＝H1+H2。

参照图6，本发明实施例1的U形阶梯阻抗谐振器21的各段尺寸可以分别采用如下数值：与辐射单元连接的天线馈线部分的宽度W1＝0.6mm，与辐射单元连接的天线馈线部分的长度L1＝3mm，W2＝0.2mm，L2＝2.2mm，L4＝5mm，W3＝1mm，L3＝5mm，金属通孔222的半径R＝0.25mm。地板3的宽度为W1+W1+L2，长度为与第二介质板的边界平齐。相对于截止频率2.35GHz，本实施例的滤波组件的尺寸仅为0.08λ×0.06λ×0.005λ。

利用商业仿真软件HFSS_13.0对本实施例中的滤波组件进行仿真计算，结果如图7所示。

利用商业仿真软件HFSS_13.0对实施例1天线的S参数、增益和1.9GHz方向图进行仿真计算，结果如图8、图9和图10所示。

参照图7，为本发明实施例1中的双层滤波组件2与没有通孔结构22的单层滤波结构S参数仿真结果对比，其中H2变化时，滤波结构的总厚度H1+H2不变。从图中可以看到，当H2降低时，双层滤波组件的截止频率逐渐逼近没有通孔结构的单层滤波结构，而当H2提高时，双层滤波组件的截止频率不断降低。当H2从0.2mm增加到0.6mm，双层滤波组件的截止频率从2.85GHz降低到1.76GHz，同时S12小于-10dB的最高频率从12.4GHz略微下降到11.8GHz，滤波结构的阻带最高频率相对于截止频率的倍频数从4.35增加到了6.7。

以上仿真结果表明，具有通孔结构的双层滤波组件具有更加显著的小型化和宽阻带特点。由于通孔结构22位于U形阶梯阻抗谐振器21的下方，因此其在不增加电路尺寸的前提下降低了滤波结构的截止频率，拓宽了滤波结构的阻带倍频，从而实现了更优秀的小型化特性。

参照图8，和普通微带馈电的天线相比，实施例1的天线在13.1GHz以内都达到了良好的带外抑制效果。

参照图9，和普通微带馈电的天线相比，实施例1的天线对带外增益也具有良好的抑制效果，由于滤波组个的插入损耗，其中心频率1.9GHz的增益下降了0.2dB。

参照图10，实施例1在中心频率1.9GHz的方向图良好，说明本实施例的滤波天线在工作频带内性能良好。

实施例2

参照图11，为本发明滤波天线的第2个实施例的结构，由图11可知，本实施例的辐射单元1采用Γ型辐射贴片，具有。本实施例中，所述第一介质板4的厚度H1＝0.2mm，第二介质板5的厚度H2＝0.5mm，两介质板均采用FR-4材料，尺寸为42mm×29mm，其中，U形阶梯阻抗谐振器21的各段尺寸可以分别采用如下数值：W1＝1.5mm，L1＝3mm，W2＝0.2mm，L2＝2mm，L4＝5mm，W3＝0.9mm，L3＝5mm，金属通孔的半径R＝0.25mm。

参照图12，实施例2中的辐射单元尺寸为：W5＝0.5mm，L5＝15mm，L6＝12mm，L7＝3.8mm。

利用商业仿真软件HFSS_13.0对上述实施例2天线的S参数、增益和2.3GHz方向图进行仿真计算，结果如图13、图14和图15所示。

参照图13，和普通微带馈电的天线相比，实施例2的天线在14.4GHz以内都达到了良好的带外抑制效果。

参照图14，和普通微带馈电的天线相比，实施例2的天线对带外增益也具有良好的抑制效果，由于滤波结构的插入损耗，其中心频率2.3GHz的增益下降了0.4dB。

参照图15，实施例2在中心频率2.3GHz的方向图良好，说明本发明在工作频带内性能良好。

实施例3

参照图16，为本发明滤波天线的第3个实施例的结构示意图，由图可知，本实施例的辐射单元1采用圆形辐射单元，其用于与U形阶梯阻抗谐振器连接的一侧设有矩形辐射贴片。本实施例中，所述第一介质板4的厚度H1＝0.2mm，第二介质板5的厚度H2＝0.6mm，两介质板均采用FR-4材料，尺寸为85mm×47mm，其中U形阶梯阻抗谐振器21的各段尺寸可以分别采用如下数值：W1＝0.6mm，L1＝3mm，W2＝0.2mm，L2＝2.2mm，L4＝5mm，W3＝1mm，L3＝5mm，金属通孔的半径R＝0.25mm。辐射单元的各尺寸如下：圆形的半径R1＝17mm，矩形贴片的长度G＝0.5mm，矩形贴片的宽度W4＝0.6mm。

利用商业仿真软件HFSS_13.0对上述实施例3天线的S参数、增益和2.3GHz方向图进行仿真计算，结果如图17、图18和图19所示。

参照图17，和普通微带馈电的天线相比，实施例3的天线在12.9GHz以内都达到了良好的带外抑制效果。

参照图18，和普通微带馈电的天线相比，实施例3的天线对带外增益也具有良好的抑制效果，由于滤波结构的插入损耗，其中心频率1.9GHz的增益下降了0.3dB。

参照图19，实施例3在中心频率1.9GHz的方向图良好，说明本发明在工作频带内性能良好。

以上3个实施例的仿真结果说明，本发明在天线的整体大小保持不变的前提下，将天线改进为滤波天线，其带内工作性能良好，且达到了小型化和宽带外抑制的效果。

需要说明的是，本发明的辐射单元除了采用上述三种形状的辐射单元外，也可以采用其它形状的辐射单元。

综上所述，与现有技术相比，本发明的滤波天线具有如下优点：

1、本发明的滤波天线，由于使用小型化的双层滤波组件替代原天线的馈线部分，从而在不增加天线整体尺寸的前提下实现滤波的功能。

2、本发明的双层滤波组件具有宽阻带的特点，因此实现了良好的带外抑制效果。

3、本发明的滤波天线，由于通孔结构位于U形阶梯阻抗谐振器的下方，因此在不增加电路尺寸的前提下降低了滤波组件的截止频率，拓宽了滤波组件的阻带倍频，从而实现了更优秀的小型化特性。

以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种滤波天线，包括平面印刷天线模块，其特征在于，所述平面印刷天线模块包括：

第一介质板；

印制于第一介质板上表面的辐射单元；

安置在第一介质板下方的第二介质板；

印制于第二介质板下表面的地板；以及

双层滤波组件；

其中，所述双层滤波组件作为天线馈线的一部分，连接在天线馈线与辐射单元之间。

2.根据权利要求1所述的滤波天线，其特征在于，所述双层滤波组件包括：

印制于所述第一介质板上表面且与所述辐射单元电连接的阶梯阻抗谐振器；

设置于所述第二介质板上且位于所述阶梯阻抗谐振器下方的通孔结构。

3.根据权利要求2所述的滤波天线，其特征在于，所述阶梯阻抗谐振器为U型阶梯阻抗谐振器，具有矩形阻抗器。

4.根据权利要求2或3所述的滤波天线，其特征在于，所述通孔结构包括：

印制于所述第二介质板上表面的金属贴片，位于所述阶梯阻抗谐振器的矩形阻抗器的正下方；

开设于所述第二介质板上的金属通孔，位于金属贴片的下方；

其中，所述金属贴片通过所述金属通孔与所述地板电连接。

5.根据权利要求4所述的滤波天线，其特征在于，所述金属贴片为矩形金属贴片。

6.根据权利要求5所述的滤波天线，其特征在于，所述矩形金属贴片的尺寸与所述矩形阻抗器的尺寸相同。

7.根据权利要求1所述的滤波天线，其特征在于，根据滤波天线的工作频带确定所述辐射单元的形状及尺寸。

8.根据权利要求1或7所述的滤波天线，其特征在于，所述辐射单元为三角形辐射贴片。

9.根据权利要求1或7所述的滤波天线，其特征在于，所述辐射单元为Γ型辐射贴片。

10.根据权利要求1或7所述的滤波天线，其特征在于，所述辐射单元为圆型辐射贴片。