CN109193163A - 基于枝节加载谐振器的三频滤波天线、无线电系统射频前端 - Google Patents

基于枝节加载谐振器的三频滤波天线、无线电系统射频前端 Download PDF

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Abstract

本发明属于天线技术领域，公开了一种基于枝节加载谐振器的三频滤波天线、无线电系统射频前端，金属地板只位于输入结构和枝节加载谐振器下方；输入结构、枝节加载谐振器和三频单极子位于同一层；输入结构采用平行耦合馈电结构；枝节加载谐振器中主要的均匀阻抗谐振器、开路枝节和短路枝节分别对应三个谐振频率；三频单极子作为辐射结构与枝节加载谐振器集成实现良好的三频滤波特性。本发明三模枝节加载谐振器与简单的三频单极子集成设计，获得了良好的滤波效果，实现了天线和滤波器的集成化及小型化。天线结构紧凑简单，仿真结果表明了其具有良好的带外抑制特性和频率选择性，可广泛应用于无线通信系统。

Description

基于枝节加载谐振器的三频滤波天线、无线电系统射频前端
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种基于枝节加载谐振器的三频滤波天线、无线电系统射频前端。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：在天线和微波滤波器都是无线电系统射频前端必不可少的部件，也常常是射频前端体积最大的部件。在传统的射频系统中，滤波器和天线是独立设计的。天线则在工作频段内利用阻抗匹配网络将输入阻抗匹配到特性阻抗后再与滤波器级联，阻抗匹配网络增大了系统的复杂度和体积同时也增大了系统损耗。基于滤波器综合方法，将天线作为滤波器的一阶谐振器，不仅可以同时实现滤波、辐射功能，而且具有带内增益平坦、交叉极化小等特点。将天线与滤波器一体化设计可实现电路的集成化及小型化，也可避免传统的滤波器通过传输线级联天线的设计设计中的阻抗失配问题。
综上所述，现有技术存在的问题是：对于滤波天线的研究，由于在单频滤波天线设计时，天线与滤波器集成时只需要考虑在一个频点的品质因数和耦合系数，相对较容易实现集成，因而目前单频居多。但对于通信系统小型化、多频化的要求下，单频滤波天线远远不能满足需求，从而对于多频滤波天线的设计是一个必然趋势。目前对于双频滤波天线的设计，多采用滤波馈电网络通过正交缝隙激励贴片天线实现双频滤波及辐射。由于在集成方式上要同时考虑在两个频段上的品质因数和耦合系数，这也大大增加了设计难度，从而目前所设计的双频滤波天线很少。对于三频以及三频以上的滤波天线，除了要考虑三个频点的品质因数和耦合系数，还要采用一种易于与滤波器集成的天线形式，这无疑使得三频滤波天线的设计更加困难，从而三频及以上的滤波天线设计则基本处于空白阶段。
解决上述技术问题的难度和意义：在系统小型化以及多频化的趋势下，对于滤波天线的设计必定也是趋于多频化的，但现在对于多频滤波天线的设计没有明确的思路，本发明在设计三频滤波天线的基础上，提供了一种简单可行的多频滤波天线设计方法。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于枝节加载谐振器的三频滤波天线、无线电系统射频前端。
本发明是这样实现的，一种基于枝节加载谐振器的三频滤波天线，所述基于枝节加载谐振器三频滤波天线设置有：
介质基板；
位于介质基板下层为金属地板；位于介质基板上层的为输入结构、枝节加载谐振器、Г型平行耦合线和三频单极子且位于同一层；
枝节加载谐振器加载的枝节为开路加载枝节和短路加载枝节；Г型平行耦合线一侧平行连接着枝节加载谐振器，另一侧连接着三频单极子。
进一步，所述三模枝节加载谐振器中加载的枝节一端短路到地，一端开路。
进一步，所述介质基板采用相对介电常数为4.4的FR4介质基板，其损耗正切为0.02，基板厚度为1mm，长度为29.8mm，宽度为20mm；金属地板长度为13.2mm，宽度为20mm；平行耦合馈电结构3的端口处采用特性阻抗为50Ω的微带，宽度为1.9mm，长度为3.1mm；平行耦合结构长度为9.5mm，宽度为0.5mm，与枝节加载谐振器一侧平行间隔0.1mm，获得与理论结果相一致的外部品质因数。
进一步，所述枝节加载谐振器由对称弯折的均匀阻抗谐振器、开路加载枝节和短路加载枝节构成；为了节省空间，均匀阻抗谐振器采用弯折结构，总长为24.8mm，宽为1mm，弯折成三段对称相同段都为8mm，中间段为8.8mm，主要影响在3.5GHz处的奇模谐振频率；开路加载枝节加载在均匀阻抗谐振器的中间，长度为6.9mm，宽度为1mm，主要影响在5.1GHz处的偶模谐振频率；短路加载枝节也加载在均匀阻抗谐振器的中间与开路加载枝节对位放置，长度为1.9mm，宽度为1mm，末端采用直径为0.4mm的短路柱短路到地板，主要影响在2.45GHz处的偶模谐振频率。
进一步，所述Г型平行耦合线与枝节加载谐振器一侧平行间隔缝隙为0.2mm，长度为13.5mm，宽度为1mm，获得与理论值相一致的耦合系数；为了进一步节省空间，连接Г型平行耦合线的三频单极子三个弯折枝节均采用弯折结构，三个弯折枝节连接在一个主干枝节上，主干枝节总长为13.5mm，宽为1mm；较短弯折枝节为高频枝节，总长度为8.3mm，宽度为1mm，在4.3mm处进行弯折，该高频枝节加强了在5.2GHz处的选择特性并辐射在该频点的电磁波；较长弯折枝节为中频枝节，距离高频枝节2.5mm，总长度为13mm，宽度为1mm，在6.8mm处进行弯折，该中频枝节加强了在3.5GHz处的选择特性并辐射在该频点的电磁波；最长的弯折枝节为低频枝节，距离中频枝节4mm，总长度为16.3mm，宽度为1mm，在9.5mm处进行弯折，该低频枝节加强了在2.45GHz处的选择特性并辐射在该频点的电磁波。
本发明的另一目的在于提供一种所述基于枝节加载谐振器的三频滤波天线的实现方法，所述基于枝节加载谐振器三频滤波天线的信号经过特性阻抗为50Ω的端口，通过平行耦合馈电结构将信号耦合到枝节加载谐振器，激发谐振器在3.5GHz的奇模谐振，以及在2.45GHz和5.2GHz的两个偶模谐振，再通过Г型平行耦合线将信号由枝节加载谐振器耦合到三频单极子，增强在三个频点处的选择特性，同时在三个频段实现信号的辐射。
本发明的另一目的在于提供一种使用所述基于枝节加载谐振器的三频滤波天线的无线电系统射频前端。
本发明的另一目的在于提供一种使用所述基于枝节加载谐振器的三频滤波天线的无线通信系统。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：整体结构包括：介质基板、金属地板、输入结构、枝节加载谐振器和三频单极子；金属地板只位于输入结构和枝节加载谐振器下方；输入结构、枝节加载谐振器和三频单极子位于同一层；输入结构采用平行耦合馈电结构；枝节加载谐振器中主要的均匀阻抗谐振器、开路枝节和短路枝节分别对应三个谐振模式的频率；三频单极子作为辐射结构与枝节加载谐振器集成实现良好的三频滤波特性。本发明在具有一个奇模谐振模式和两个偶模谐振模式的枝节加载谐振器基础上，将简单的三频单极子与三模枝节加载谐振器通过Г型平行耦合线集成设计，增强在三个频点的频率选择特性和带外抑制特性，同时在三个频点实现电磁波的辐射。所设计的三频滤波天线结构紧凑简单，实现了天线和滤波器的集成化以及小型化，仿真结果表明了其具有良好的带外抑制特性和频率选择性，可广泛应用于无线通信系统。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于枝节加载谐振器的三频滤波天线结构示意图；图中：1、介质基板；2、金属地板；3、输入结构；4、枝节加载谐振器；5、开路加载枝节；6、短路加载枝节；7、Г型平行耦合线；8、三频单极子。
图2是本发明实施例提供的反射系数特性曲线示意图。
图3是本发明实施例提供的工作在2.45GHz频点的XOY面和XOZ归一化辐射方向示意图；
图中：(a)XOY面；(b)XOZ面。
图4是本发明实施例提供的工作在3.55GHz频点的XOY面和XOZ面归一化辐射方向示意图；
图中：(a)XOY面；(b)XOZ面。
图5是本发明实施例提供的工作在5.2GHz频点的XOY面和XOZ面归一化辐射方向示意图；
图中：(a)XOY面；(b)XOZ面。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明三模枝节加载谐振器与简单的三频单极子集成设计，获得了良好的滤波效果，实现了天线和滤波器的集成化及小型化。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于枝节加载谐振器的三频滤波天线包括：金属地板、输入结构、枝节加载谐振器、三频单极子和介质基板1；位于介质基板下层为金属地板2；位于介质基板1上层的为输入结构3、枝节加载谐振器4、Г型平行耦合线7和三频单极子8且这些结构都位于同一层；枝节加载谐振器4加载的枝节为开路加载枝节5和短路加载枝节6；Г型平行耦合线7一侧平行连接着枝节加载谐振器4，另一侧连接着三频单极子8。
信号经过特性阻抗为50Ω的端口，通过平行耦合馈电结构将信号传输到枝节加载谐振器，再通过Г型平行耦合线将信号由枝节加载谐振器耦合到三频单极子，最终在三个频段实现信号的辐射。
本发明实施例中，所述三频单极子是三个开路单极子通过缠绕线技术分成三个谐振路径的简单三频单极子，本发明的技术方案并不限于该三频单极子线，其他任何能够代替该辐射结构的三频单极子天线均属于本发明的保护范围。
所述三频滤波器天线的枝节加载谐振器，通过在原有的均匀阻抗谐振器的基础上，加载开路枝节和短路枝节实现谐振器具有三个不同的模式。其中，两个加载枝节的长度以及加载枝节所处的位置由所需频段决定，并不仅限于加载枝节的位置以及加载开路枝节的长短，不同加载枝节位置以及不同加载枝节长短的滤波天线均属于本发明的保护范围。
本发明中介质基板1采用相对介电常数为4.4的FR4介质基板，其损耗正切为0.02，基板厚度为1mm，长度为29.8mm，宽度为20mm。金属地板2长度为13.2mm，宽度为20mm。平行耦合馈电结构3的端口处采用特性阻抗为50Ω的微带，宽度为1.9mm，长度为3.1mm。平行耦合结构长度为9.5mm，宽度为0.5mm，与枝节加载谐振器一侧平行间隔0.1mm。
枝节加载谐振器4主要由对称弯折的均匀阻抗谐振器、开路加载枝节5和短路加载枝节6构成。其中对称弯折的均匀阻抗谐振器总长为24.8mm，宽为1mm，弯折成三段对称相同的段都为8mm，中间段为8.8mm。开路加载枝节5加载在均匀阻抗谐振器的中间，长度为6.9mm，宽度为1mm。短路加载枝节6也加载在均匀阻抗谐振器的中间与开路加载枝节5对位放置，长度为1.9mm，宽度为1mm，末端采用直径为0.4mm的短路柱短路到地板。
Г型平行耦合线7与枝节加载谐振器一侧平行间隔缝隙为0.2mm，长度为13.5mm，宽度为1mm。连接Г型平行耦合线的三频单极子8共有三个弯折枝节，三个弯折枝节连接在一个主干枝节上，主干枝节总长为13.5mm，宽为1mm。较短弯折枝节为高频枝节，总长度为8.3mm，宽度为1mm，在4.3mm处进行弯折。较长弯折枝节为中频枝节，距离高频枝节2.5mm，总长度为13mm，宽度为1mm，在6.8mm处进行弯折。最长的弯折枝节为低频枝节，距离中频枝节4mm，总长度为16.3mm，宽度为1mm，在9.5mm处进行弯折。
下面结合附图对本发明的应用效果做详细的描述。
图2为本发明具体实施例的反射系数曲线示意图。从图2可以看出，本发明具体实施例的工作频带(反射系数小于-10dB)分别为2.36GHz-2.6GHz，3.5GHz-3.6GHz和5.02GHz-5.29GHz，相对带宽分别为9.6％，2.8％和5.2％。
图3、图4、图5分别为本发明具体实施例的2.45GHz、3.55GHz和5.2GHz三个频点的XOY面和XOZ面的归一化方向图。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于枝节加载谐振器的三频滤波天线，其特征在于，所述基于枝节加载谐振器的三频滤波天线设置有：
介质基板；
位于介质基板下层为金属地板；位于介质基板上层的为输入结构、枝节加载谐振器、Г型平行耦合线和三频单极子且位于同一层；
枝节加载谐振器加载的枝节为开路加载枝节和短路加载枝节；Г型平行耦合线一侧平行连接着枝节加载谐振器，另一侧连接着三频单极子。
2.如权利要求1所述的基于枝节加载谐振器的三频滤波天线，其特征在于，所述三模枝节加载谐振器中加载的枝节一端短路到地，一端开路。
3.如权利要求1所述的基于枝节加载谐振器的三频滤波天线，其特征在于，所述介质基板采用相对介电常数为4.4的FR4介质基板，其损耗正切为0.02，基板厚度为1mm，长度为29.8mm，宽度为20mm；金属地板长度为13.2mm，宽度为20mm；平行耦合馈电结构3的端口处采用特性阻抗为50Ω的微带，宽度为1.9mm，长度为3.1mm；平行耦合结构长度为9.5mm，宽度为0.5mm，与枝节加载谐振器一侧平行间隔0.1mm。
4.如权利要求1所述的基于枝节加载谐振器的三频滤波天线，其特征在于，所述枝节加载谐振器由对称弯折的均匀阻抗谐振器、开路加载枝节和短路加载枝节构成；对称弯折的均匀阻抗谐振器总长为24.8mm，宽为1mm，弯折成三段对称相同的段都为8mm，中间段为8.8mm；开路加载枝节加载在均匀阻抗谐振器的中间，长度为6.9mm，宽度为1mm；短路加载枝节也加载在均匀阻抗谐振器的中间与开路加载枝节对位放置，长度为1.9mm，宽度为1mm，末端采用直径为0.4mm的短路柱短路到地板。
5.如权利要求1所述的基于枝节加载谐振器的三频滤波天线，其特征在于，所述Г型平行耦合线与枝节加载谐振器一侧平行间隔缝隙为0.2mm，长度为13.5mm，宽度为1mm；连接Г型平行耦合线的三频单极子共有三个弯折枝节，三个弯折枝节连接在一个主干枝节上，主干枝节总长为13.5mm，宽为1mm；较短弯折枝节为高频枝节，总长度为8.3mm，宽度为1mm，在4.3mm处进行弯折；较长弯折枝节为中频枝节，距离高频枝节2.5mm，总长度为13mm，宽度为1mm，在6.8mm处进行弯折；最长的弯折枝节为低频枝节，距离中频枝节4mm，总长度为16.3mm，宽度为1mm，在9.5mm处进行弯折。
6.一种如权利要求1所述基于枝节加载谐振器的三频滤波天线的实现方法，其特征在于，所述基于枝节加载谐振器三频滤波天线的信号经过特性阻抗为50Ω的端口，通过平行耦合馈电结构将信号传输到枝节加载谐振器，通过Г型平行耦合线将信号由枝节加载谐振器耦合到三频单极子，在三个频段实现信号的辐射。
7.一种使用权利要求1～5任意一项所述基于枝节加载谐振器的三频滤波天线的无线电系统射频前端。
8.一种使用权利要求1～5任意一项所述基于枝节加载谐振器的三频滤波天线的无线通信系统。
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