CN108923124B - 宽带外抑制高交叉极化比的双极化滤波天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高选择性低剖微带双极化滤波天线。主要解决现有滤波天线高选择性较差，以及在0°方向上交叉极化比过低的问题。其自下而上包括下层馈电网络结构(1),中层主体结构(2),上层耦合辐射结构(3)和天线罩(4)。该中层主体结构(2)包括中层地板(21)和十字耦合缝隙辐射结构(26)，该中层地板(21)上刻蚀有一组形状相同，且与天线中心对称的缝隙，用于实现天线轴向高交叉极化比；该十字耦合缝隙辐射结构(26)上刻蚀有一组相互垂直的十字耦合缝隙，且刻蚀有与十字耦合缝隙相互垂直的四个矩形槽，用于实现天线宽带外抑制。本发明提高了0°方向上的交叉极化比，增强了天线的滤波效果，可用于无线通信。

Description

宽带外抑制高交叉极化比的双极化滤波天线

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种双极化滤波天线，可用于民用无线通信系统。

背景技术

随着现代电子技术和信息技术的不断发展，在范围有限的平台上集成了越来越多的满足不同要求的电子设备及其与之配套的各种天线，这就需要用更少的器件来实现更多的功能。天线和滤波器是无线通信前端中最常见也是最重要的无源器件，其性能的优劣往往直接影响到整个通信系统的性能。同时，与前端中其它器件相比，天线和滤波器具有更大的尺寸，因此，天线和滤波器的小形化是无线通信前端小形化的关键。在狭小的空间内密集分布多副天线，天线之间存在相互干扰，对通信质量影响严重，因此进行高选择性的滤波是解决天线之间相互干扰问题的关键；移动通信系统的经常会在上行接收采用接收分集技术，交叉极化是一种采用正交极化方式排布天线阵子达到最大化极化分集的作用，且同时能使天线尺寸尽量小，方便工程施工。交叉极化比的概念主要用于描述±45°极化或其他正交极化方式天线的极化纯度，具体定义为主极化分量与交叉极化分量的比。交叉极化比越大，说明从天线能够获得的信号正交性越强，两路信号之间的相关性越小，极化效果越好，因此提高天线的交叉极化比也是基站天线面临一个重要的问题，为了解决上述问题，尤其是对宽带外抑制高交叉极化比的双极化滤波天线，提出了更高更严格的要求，主要在于集成天线与滤波器功能以减小天线体积、提高滤波天线的高选择性来降低天线之间的干扰，以及提高天线的交叉极化比。

滤波天线是集成了滤波器的滤波功能与天线的辐射功能的一种天线,是现代通信系统的关键器件,随着科技的发展和进步,通信系统对滤波天线的要求也越来越高，目前，为了实现天线的滤波功能，一般都是采用在天线的前端串联滤波器的方法，该方法的不足是：首先，因为滤波器的输入输出端口与天线的输入端口均需要匹配到标准阻抗，因此这两器件均需要进行单独的匹配设计，这样将导致设计的复杂化，而且匹配电路也会造成器件的尺寸增加；其次，天线和滤波器紧凑级联时，彼此之间存在互耦，由于互耦的存在将会使天线和滤波器的性能恶化；最后，即使互耦影响较小，器件间的级联传输线也会带来额外的损耗，当工作频率较高时，这个损耗无法忽略，将导致接收系统的信噪比恶化；一般情况下，提高天线的交叉极化比的方式是改变天线的边界环境，例如增加天线的地板大小；在辐射贴片的周围增加隔离枝节；改变天线主体地板的形状，从而改变天线辐射的模式等等。

高选择性低剖微带滤波天线作为一种具有滤波功能的天线，具有集成度高、损耗低、高选择性的特点以及易加工的特点，已经在电磁领域获得了极大地青睐。在国际上已经有很多学者们把滤波器与天线结合在一起，做出了极为显著地成绩。例如文献Guang-HusSun,Sai-Wai Wong,lei Zhu,Qing-Xin Chu“A Compact Printed Filtering AntennaWith Good Suppression of Upper Harmonic Band”提出了一种将滤波器、天线相结合，利用滤波器与天线串联的方法，实现了对天线的滤波，但是该滤波天线尺寸偏大，而且高选择性不高，从而增加了天线的加工成本，且天线在0°方向上交叉极化比过低。而文献Xiu YinZhang,Wen Duan,Yong-Mei Pan“High-Gain Filtering Patch Antenna Without ExtraCircuit”也提出了一种滤波天线，通过在辐射贴片上开槽并且加过孔的方法来实现天线的滤波，这种方法虽然可以实现天线的滤波作用同时提高天线的交叉极化比，但此类天线的高选择特性较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽带外抑制高交叉极化比的双极化滤波天线，以解决为现有滤波天线高选择性较差以及在0°方向上交叉极化比过低的问题，实现天线高选择性滤波功能，提高天线在0°方向上的交叉极化比。

实现本发明目的的技术关键是：在相互交叉垂直十字耦合辐射缝隙上增加四组与之垂直的缝隙，来增加天线的高选择性；在天线部分的地板上增加对称的C型缝隙，来提高天线在0°方向上的交叉极化比。整个宽带外抑制高交叉极化比的双极化滤波天线，包括：下层馈电网络结构1,中层耦合结构2和上层耦合辐射结构3和天线罩结构4，中层天线主体结构2位于下层馈电网络耦合结构1和上层耦合辐射结构3之间，天线罩结构4位于上层耦合辐射结构3的上方；下层馈电网络结构1与中层天线主体结构2相连，中层天线主体结构2包括中层地板21，十字耦合缝隙辐射结构26，该中层地板21位于最下层，与下层馈电网络结构1连通，该十字耦合缝隙辐射结构26位于中层天线主体结构2最上层，上层耦合辐射结构3设置于中层天线主体结构2的正上方，中层天线主体结构2通过耦合方式向上层耦合辐射结构3耦合能量，完成天线的辐射，其特征在于：

中层地板21上刻蚀有一组形状相同，且与天线中心对称的缝隙，用于实现天线轴向高交叉极化比；

十字耦合缝隙辐射结构26上刻蚀有相互垂直的两个矩形缝隙相互垂直形成十字耦合缝隙，且刻蚀有与十字耦合缝隙相互垂直的四个矩形槽，用于实现天线宽带外抑制。

进一步，所述下层馈电网络结构1，包括第一下介质板11、第一下金属地板12、第一微带馈线13、第二微带馈线14、第一巴伦馈电结构17、第二巴伦馈电结构18、第二下金属地板19、第二下介质板110、第一功分器111、第二功分器112、第一下过渡层113、第三下介质板114、第三下金属地板115、第二下过渡层116、功分隔离墙117、四个金属柱118、金属腔体119和天线隔离墙120；第一下介质板11贴覆于第一下金属地板12的下表面,第一微带馈线13和第二微带馈线14分别通过第一金属过孔15和第二金属过孔16连接第一巴伦馈电结构17和第二巴伦馈电结构18，第一巴伦馈电结构17和第二巴伦馈电结构18分别与第一功分器111和第二功分器112的输入端口相连，第一功分器111和第二功分器112的出口分别与四个金属柱118相连，第二下金属地板19贴覆于第二下介质板110的下表面，第一下过渡层113贴覆与第二下介质板110的上表面，第三下介质板114贴覆与第一下过渡层113的上表面，第三下金属地板115贴覆与第二下过渡层116的下表面，第二下过渡层116位于下层馈电网络结构1的最上层，功分隔离墙117垂直嵌入第二下介质板110，第一下过渡层113和第三下介质板114之中，金属腔体119在天线主体的四周，天线隔离墙120垂直于下层馈电网络结构1，且贴覆在第一下过渡层113、第三下介质板114、第三下金属地板115、第二下过渡层116的侧表面。

进一步，所述中层天线主体结构2还包括第一中层介质22，中层过渡介质23，偶极子24，第二中层介质25；中层地板21贴覆于第一中层介质22的下表面，中层过渡介质23位于第一中层介质22的上表面，偶极子24位于中层过渡介质层23的上表面，且偶极子24的四个臂分别与下层馈电网络结构1中的四个金属柱118相连，第二中层介质25位于中层过渡介质23的上表面，且十字耦合缝隙辐射结构26位于第二中层介质25的上表面。

进一步，所述上层耦合辐射结构3，包括上介质板31,下层金属贴片32,上层金属贴片33；下层金属贴片32位于上介质板31的下表面，上层金属贴片33位于介质板31的上表面。

附图说明

图1为本发明的整体结构图；

图2为本发明中的下层馈电网络结构示例图；

图3为本发明中的中层天线主体结构示例图；

图4为本发明中的上层耦合辐射及天线罩结构示例图；

图5为本发明实施例天线在3GHz-8GHz的S参数曲线图；

图6为本发明实施例天线在3GHz-8GHz的增益参数曲线图；

图7为本发明实施例天线在3.3GHz、3.5GHz、3.8GHz的辐射方向图；

图8为本发明实施例天线在3.3GHz、3.5GHz、3.8GHz的交叉极化比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例及效果进行详尽的描述与说明。

实施例1

参照图1，本发明的高选择性滤波天线，包括馈电网络结构1,天线主体结构2,耦合辐射结构3和天线罩4。主体结构2位于馈电网络结构1的正上方并且与其连接，耦合辐射结构3位于主体结构2的上方，天线罩4位于上层耦合辐射结构3的上方，形成上、中、下三层结构。

参照图2，所述的下层馈电网络1,包括第一下介质板11、第一下金属地板12、第一微带馈线13、第二微带馈线14、第一巴伦馈电结构17、第二巴伦馈电结构18、第二下金属地板19、第二下介质板110、第一功分器111、第二功分器112、第一下过渡层113、第三下介质板114、第三下金属地板115、第二下过渡层116、功分隔离墙117、四个金属柱118、金属腔体119和天线隔离墙120。其中，第一下介质板11贴覆于第一下金属地板12的下表面，在第一下介质板11中设有第一金属过孔15和第二金属过孔16，第一微带馈线13通过第一金属过孔15连接第一巴伦馈电结构17，第二微带馈线14通过第二金属过孔16连接第二巴伦馈电结构18，第一巴伦馈电结构17与第一功分器111输入端口相连，第二巴伦馈电结构18与第二功分器112的输入端口相连，第一功分器111的两个输出端口和第二功分器112的两个输出端口共四个端口与四个金属柱118对应连接，第二下金属地板19贴覆于第二下介质板110的下表面，第一下过渡层113贴覆于第二下介质板110的上表面，第三下介质板114贴覆于第一下过渡层113的上表面，第三下金属地板115贴覆与第二下过渡层116的下表面，第二下过渡层116位于下层馈电网络结构1的最上层，功分隔离墙117垂直嵌入在第二下介质板110、第一下过渡层113和第三下介质板114之中，金属腔体119放置在第一下金属地板12的上表面，天线隔离墙120垂直于下层馈电网络结构1，且贴覆在第一下过渡层113、第三下介质板114、第三下金属地板115、第二下过渡层116的侧表面。其中：

在第一下金属地板12上刻蚀有4个对称的方形槽和一组对称的矩形槽；

第二下金属地板19、第二下介质板110、第一下过渡层113、第三下介质板114、第三下金属地板115和第二下过渡层116均为正方形切去四角；

第二下金属地板19上刻蚀有4个对称的方形槽；

第二下介质板110、第一下过渡层113、第三下介质板114和第二下过渡层116上都设有4个对称的金属过孔；

第三下金属地板115上刻蚀有四个对称分布的圆形槽。

参照图3，所述的中层天线主体2，包括中层地板21、第一中介质板22、中层过渡介质板23、偶极子24、第二中介质板25和十字耦合缝隙辐射结构26。中层地板21贴覆于天线第一介质22的下表面，中层过渡介质板23位于第一中介质22的上表面，偶极子24位于中层过渡介质板23的上表面，偶极子24的四个臂与下层馈电网络1中的四个金属圆柱118对应连接，第二中介质25位于中层过渡介质板23的上表面，且十字耦合缝隙辐射结构26位于第二中介质25的上表面，其中：

中层地板21、第一中介质板22、中层过渡介质板23、第二中介质板25和十字耦合缝隙辐射结构26均为正方形切去四角；

中层地板21上刻蚀有4个中心对称的圆形槽、2个沿y轴对称的半圆槽、2个中心对称的C型缝隙，C型缝隙用于提高天线在0°方向上的交叉极化比；

第一中介质板22、中层过渡介质板23和第二中介质板25上都刻蚀有4个中心对称的金属过孔；

在十字耦合缝隙辐射结构26上刻蚀有一组四个中心对称的圆形槽、一组相互垂直的十字缝隙槽和四个中心对称的且与十字缝隙槽相互垂直的矩形槽。

参照图4，所述的上层耦合辐射结构3和天线罩4，包括上介质板31、第一上金属贴片32、第二上金属贴片33。第一上金属贴片32位于上介质板31的下表面，第二上金属贴片33位于上介质板31的上表面，天线罩4放置于天线上层耦合结构3的正上方。

实施例2

本实例与实施例1的整体结构相同，所不同的是中层地板21上沿天线中心刻蚀有两个L型缝隙，L型缝隙较实施例1中的C型缝隙提高交叉极化比的作用更为明显，但是L型缝隙对天线双端口之间的隔离也有一定的恶化效果。

本发明效果可通过以下仿真结果进一步说明：

取第一下介质板11的长、宽、高分别为43mm、58mm、0.762mm，介电常数为3.0；第一下金属地板12的长、宽分别为43mm、58mm，方形槽的边长为1.27mm，矩形槽的长、宽分别为4.6mm、3mm；第一微带馈线13的长、宽分别为11.135mm、1.8288mm，第二微带馈线14的长、宽与第一微带馈线13相同；四个金属柱118的半径为0.254mm，高度为3.4mm；金属腔体119的长、宽、高分别为43mm、58mm、2.5mm；

取中层地板21、第一中介质板22、中层过渡介质板23、第二中介质板25和十字耦合缝隙辐射结构26的长、宽分别为26.965mm、26.965mm，第一中介质22的厚度为0.66mm，介电常数为4.16；中层过渡介质23的厚度为0.12mm，介电常数为4.19；第二中介质25的厚度为0.79mm，介电常数为4.09；十字耦合缝隙辐射结构26为金属板，其厚度为0.256mm，C型缝隙的两臂长为3mm，宽度为1mm，中间长度为6mm，宽度为1mm；相互垂直的十字耦合缝隙的长度为31.2mm，宽度为2.2mm；矩形缝隙的长度为9mm，宽度为2mm。

取上介质板31的长、宽、高分别为43mm、58mm、0.79mm，介电常数为4.09；第一上金属贴片32为边长为13mm；第二上金属贴片33为边长为25.5mm。

用以上述参数构成本发明的仿真天线实例，对其性能进行仿真：

仿真1，对本发明实例天线的反射系数进行仿真，其结果如图5所示，从图5中可以看到，本发明天线在3.3GHz-3.8GHz范围内的反射系数S11小于-10dB,相对带宽达到了14.1％。

仿真2，对本发明实例天线的反射系数进行仿真，其结果如图6所示，从图6中可以看出滤波天线在3.3GHz-3.8GHz范围内沿着最大辐射方向的平均增益在在7.4dB左右，且天线在4GHz-4.5GHz时增益下降了15dB左右，同时该抑制效果维持到8GHz处，说明该天线具有良好的带外抑制效果。

仿真3，对本发明实例天线的辐射方向图在3.3GHz、3.5GHz、3.8GHz频点处进行仿真，其结果分别如图7(a)、7(b)、7(c)所示，从图7中可以看出滤波天线在phi＝0°的平面与phi＝90°的平面具有稳定的辐射方向特性。

仿真4，对本发明实例天线的交叉极化比在3.3GHz、3.5GHz、3.8GHz频点处进行仿真，其结果分别如图8(a)、8(b)、8(c)所示，从图8中可以看出，天线在0°方向具有较高的交叉极化比，说明天线的两个极化之间相互影响的效果很小。

Claims (4)

1.一种宽带外抑制高交叉极化比的双极化滤波天线，包括下层馈电网络结构(1)、中层天线主体结构(2)、上层耦合辐射结构(3)和天线罩结构(4)；所述中层天线主体结构(2)位于下层馈电网络结构(1)和上层耦合辐射结构(3)之间，天线罩结构(4)位于上层耦合辐射结构(3)的上方；下层馈电网络结构(1)与中层天线主体结构(2)相连，中层天线主体结构(2)包括中层地板(21)和十字耦合缝隙辐射结构(26)，该中层地板(21)与下层馈电网络结构(1)连通，该十字耦合缝隙辐射结构(26)位于中层天线主体结构(2)的最上层，上层耦合辐射结构(3)设置于中层天线主体结构(2)的正上方，中层天线主体结构(2)通过耦合方式向上层耦合辐射结构(3)耦合能量，完成天线的辐射，其特征在于：该天线还包括第一下介质板(11)、第一下金属地板(12)、第一微带馈线(13)、第二微带馈线(14)、第一巴伦馈电结构(17)、第二巴伦馈电结构(18)、第二下金属地板(19)、第二下介质板(110)、第一功分器(111)、第二功分器(112)、第一下过渡层(113)、第三下介质板(114)、第三下金属地板(115)、第二下过渡层(116)、功分隔离墙(117)、四个金属柱(118)和金属腔体(119)；所述第一下介质板(11)位于下层馈电网络(1)的最下层，第一下介质板(11)贴覆于第一下金属地板(12)的下表面,在第一下介质板(11)中设有第一金属过孔(15)和第二金属过孔(16)，第一微带馈线(13)和第二微带馈线(14)贴覆于第一下介质板(11)的下表面；所述第一巴伦馈电结构(17)和第二巴伦馈电结构(18)位于第一下金属地板(12)的上表面，第一功分器(111)和第二功分器(112)贴覆于第二下介质板(110)的上表面，第一微带馈线(13)和第二微带馈线(14)分别通过第一金属过孔(15)和第二金属过孔(16)连接第一巴伦馈电结构(17)和第二巴伦馈电结构(18)，第一巴伦馈电结构(17)和第二巴伦馈电结构(18)分别与第一功分器(111)和第二功分器(112)的输入端口相连，第一功分器(111)和第二功分器(112)的出口分别与四个金属柱(118)相连，第二下金属地板(19)贴覆于第一下金属地板(12)上方，同时第二下金属地板(19)贴覆于第二下介质板(110)的下表面，第一下过渡层(113)贴覆于第二下介质板(110)的上表面，第三下介质板(114)贴覆于第一下过渡层(113)的上表面，第三下金属地板(115)贴覆于第二下过渡层(116)的下表面，第二下过渡层(116)位于下层馈电网络结构(1)的最上层，功分隔离墙(117)垂直嵌入第二下介质板(110)，第一下过渡层(113)和第三下介质板(114)之中，金属腔体(119)设置在第一下金属地板(12)的上表面，天线隔离墙(120)垂直于下层馈电网络结构(1)，且贴覆在第一下过渡层(113)、第三下介质板(114)、第三下金属地板(115)、第二下过渡层(116)的侧表面；所述中层天线主体结构(2)还包括第一中层介质(22)、中层过渡介质(23)、偶极子(24)和第二中层介质(25)；所述中层地板(21)贴覆于第一中层介质(22)的下表面，中层过渡介质(23)位于第一中层介质(22)的上表面，偶极子(24)位于中层过渡介质层(23)的上表面，且偶极子(24)的四个臂分别与下层馈电网络结构(1)中的四个金属柱(118)相连，第二中层介质(25)位于中层过渡介质(23)的上方，且十字耦合缝隙辐射结构(26)位于第二中层介质(25)的上表面；

所述中层地板(21)上刻蚀有一组形状相同，且与天线中心对称的缝隙，用于实现天线轴向高交叉极化比；

所述十字耦合缝隙辐射结构(26)上刻蚀由两条矩形缝隙相互垂直形成的十字耦合缝隙，还刻蚀有与十字耦合缝隙相互垂直且关于十字耦合缝隙中心对称的四个矩形槽，用于实现天线宽带外抑制。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，上层耦合辐射结构(3)包括上介质板(31),下层金属贴片(32),上层金属贴片(33)；下层金属贴片(32)位于上介质板(31)的下表面，上层金属贴片(33)位于上介质板(31)的上表面。

3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述中层地板(21)上刻蚀的缝隙的形状为C型。

4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述中层地板(21)上刻蚀的缝隙的形状为L型。

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