CN109449582A - 一种低剖面宽带滤波天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种低剖面宽带滤波天线，用以解决现有技术带宽狭窄，剖面高和尺寸大的问题；本发明包括金属地板、设置于金属地板正上方的介质板、位于介质板上表面边缘处的矩形金属贴片、侧面的矩形金属壁、贯穿于介质板的两个金属短路柱和同轴探针，所述的矩形金属贴片与矩形金属壁相接的边缘一侧蚀刻有两端为封闭结构的第一缝隙；所述的矩形金属贴片的中心部分蚀刻有开口朝向另一侧的U型缝隙，该U型缝隙的两侧各蚀刻有相同的第二缝隙，该第二缝隙一端开口，另一端为封闭结构，所述的第二缝隙的两侧各蚀刻有相同的第三缝隙。本发明具有宽频带特性，相对带宽达到25.3％，抑制了天线带外辐射，提高了天线的频率选择性。

Description

一种低剖面宽带滤波天线

技术领域

本发明涉及滤波天线技术领域，尤其涉及一种低剖面宽带滤波天线，可用于LTE无线通信系统。

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馈电线路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，通过天线辐射结构上直接引入滤波结构实现更高的集成，更低的插入损耗。

目前已有的低剖面滤波天线剖面低，阻抗频率特性与简单并联谐振电路相似，贴片与金属地板间距小，容性大，使得其结构具有高品质因数的特点，难以实现宽频带匹配的特性。

例如，南通大学在其申请的名称为“平面贴片滤波天线”(申请号为201610414696.1，申请公布号为CN 106058450 A)中，提出的平面贴片滤波天线，该发明包括：介质基板、接地金属层、第一贴片谐振器、第二贴片谐振器以及第三贴片谐振器，所述第一贴片谐振器、第二贴片谐振器以及所述第三贴片谐振器，所述第一贴片谐振器、第二贴片谐振器以及所述第三贴片谐振器均设置于介质基板的正面。该天线的第一贴片谐振器、第二贴片谐振器，第三贴片谐振器都作为辐射体，虽然提高了天线的增益，但是，由于引入额外的第二、第三贴片谐振器，增加了天线的体积，并且该天线低剖面，使得品质因数大，带宽窄。

例如，中国电子科技集团公司第五十四研究所在其申请的名称为“一种小型化低剖面宽频带双圆极化微带天线”(申请号为201610347651.7，申请公布号为CN 105811102A)中，提出的一种小型化低剖面宽频带双圆极化微带天线，该天线由第一介质板，金属支撑框架、第二介质基板和第三介质基板构成。第一介质基板上下表面均有寄生金属贴片，上表面贴片与下表面金属贴片通过金属化通孔连接；第二介质基板上表面有馈电贴片；第三介质基板包括4条带状线、90度电桥、2个馈电探针和2个射频同轴连接器。该发明通过采用叠层结构和通过金属化通孔相连的双寄生贴片结构展宽微带天线带宽，使天线带宽达到19.4％，且具有小型化低剖面特性，体积为0.45λ₀×0.45λ₀×0.075λ₀。但是，该天线仅仅使用寄生贴片引入额外模式拓宽天线带宽，带宽依然较窄。并且该天线在工作频带外两侧相邻的频带上，天线的尺寸较大。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提出了一种低剖面宽带滤波天线，用于解决现有定向滤波微带天线工作频带窄、剖面高和尺寸大的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种低剖面宽带滤波天线，包括金属地板、设置于金属地板正上方的介质板、位于介质板上表面边缘处的矩形金属贴片、侧面的矩形金属壁、贯穿于介质板的两个金属短路柱和同轴探针；所述的矩形金属壁一端与矩形金属贴片的边缘相接，且另一端延伸至金属地板边缘，其特征在于，所述的矩形金属贴片与矩形金属壁相接的边缘一侧蚀刻有两端为封闭结构的第一缝隙，所述的矩形金属贴片的中心部分蚀刻有开口朝向另一侧的U型缝隙，该U型缝隙的两侧各蚀刻有相同的第二缝隙，该第二缝隙一端开口，另一端为封闭结构，所述的第二缝隙的两侧各蚀刻有相同的第三缝隙，所述第三缝隙由曲线段和直线段组成，该第三缝隙的曲线段一端开口，且位于金属短路柱和矩形金属壁之间，该直线段的一端为封闭结构。

所述U型缝隙、第一缝隙、第二缝隙和第三缝隙，关于金属贴片的几何中心对称分布；

所述U型缝隙两臂之间相互平行，该U型缝隙的两臂长为lu1，间距为lu2，其中，13.5mm≤lu1≤19.5mm，2mm≤lu2≤6mm。

所述第二缝隙之间相互平行，该第二缝隙长度为ls2，间距为d，其中，16mm≤ls2≤24mm，4mm≤d≤8mm。

所述第三缝隙的直线段之间相互平行，该第三缝隙的总长为ls3，其中，14.5mm≤ls3≤21.5mm。

所述第一缝隙的长度为ls1，其中，10mm≤ls1≤14mm。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明由于采用的金属贴片的中心部分蚀刻开口朝向另一侧的U型缝隙，该U型缝隙的两侧各蚀刻有相同的第二缝隙，该第二缝隙一端开口，且另一端为封闭结构；由于U型缝隙和第二缝隙引入两个谐振模式，并与天线固有的谐振模式合并，克服现有技术中工作带宽窄的技术问题，使得相对带宽达到25.3％，展宽了天线的带宽。

2、本发明由于采用矩形金属贴片与矩形金属壁相接的边缘一侧蚀刻有第一缝隙；该金属贴片的中心部分蚀刻开口朝向另一侧的U型缝隙，该U型缝隙的两侧各蚀刻有相同的第二缝隙，该第二缝隙一端开口，且另一端为封闭结构，所述的第二缝隙的两侧各蚀刻有相同的第三缝隙；由于采用了第一缝隙，引入了电容，抵消了矩形金属壁、同轴馈电探针和金属短路柱引入的感性，使得阻抗得到匹配，降低天线的剖面，同时，采用U型缝隙、第二缝隙和第三缝隙的设置，延长了电流路径，缩减了矩形金属贴片的表面积；克服了现有技术中天线尺寸大的技术问题，使得天线的总体尺寸为0.363λ₀×0.363λ₀×0.044λ₀，实现了结构的小型化。

3、本发明由于采用的金属贴片的中心部分蚀刻开口朝向另一侧的U型缝隙，该U型缝隙的两侧各蚀刻有相同的第二缝隙，该第二缝隙一端开口，且另一端为封闭结构；由于U型缝隙、第二缝隙和天线辐射器之间的耦合，在天线工作频带的上下边频处各引入了一个辐射零点，并且，刻蚀的第三缝隙在天线的上边频引入一额外的辐射零点，抑制了天线带外辐射，提高了天线的频率选择性。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明图1的俯视图；

图3为本发明矩形金属贴片的结构示意图；

图4为本发明一种低剖面宽带滤波天线反射系数与增益的仿真结果图；

图5为本发明一种低剖面宽带滤波天线的辐射方向图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述：

实施例1

参照图1、参照图2和图3

一种低剖面宽带滤波天线，包括金属地板1、设置于金属地板1正上方的介质板2、位于介质板2上表面边缘处的矩形金属贴片3、侧面的矩形金属壁4、贯穿于介质板2的两个金属短路柱5和同轴探针6；所述的矩形金属壁4一端与矩形金属贴片3的边缘相接，且另一端延伸至金属地板1边缘，其特征在于，所述的矩形金属贴片3与矩形金属壁4相接的边缘一侧蚀刻有两端为封闭结构的第一缝隙31，所述的矩形金属贴片3的中心部分蚀刻有开口朝向另一侧的U型缝隙32，该U型缝隙32的两侧各蚀刻有相同的第二缝隙33，该第二缝隙33一端开口，另一端为封闭结构，所述的第二缝隙33的两侧各蚀刻有相同的第三缝隙34，所述第三缝隙34由曲线段和直线段组成，该第三缝隙34的曲线段一端开口，且位于金属短路柱5和矩形金属壁4之间，该直线段的一端为封闭结构。

由于接地的矩形金属壁使得在贴片谐振于四分之一波长处，缩减了贴片的面积；添加金属短路柱引入一个谐振模式，与贴片固有模式合并拓宽了天线的带宽；U型缝隙在天线工作频带高频处引入一个谐振模式，拓宽了天线带宽，并且其在天线工作频带外部的上边频处形成了反向电场，在增益曲线上形成一个辐射零点，使得增益曲线高频边缘陡峭，提高了频率选择性，抑制了天线的高频带外辐射，第一缝隙引入了电容，抵消由于同轴馈电探针和金属短路柱引入的感性，使得阻抗得到匹配，降低天线的剖面；第二缝隙在天线工作频带低频处引入了一个谐振模式，与贴片谐振模式合并拓宽了天线的带宽，并且第二缝隙之间的矩形金属贴片部分在天线工作频带外部的下边频处引入反向电场抵消天线的辐射，在增益曲线上形成一个辐射零点，使得增益曲线高频边缘陡峭，提高了频率选择性，抑制天线的低频带外辐射；第三缝隙的添加，延长了电流路径，进一步缩减矩形金属贴片的面积，并且，其在天线工作频带的上边频处形成反向电场，在增益曲线的上形成一个新的辐射零点，加强了高频处的带外抑制，使得天线具有良好的滤波特性。

所述的U型缝隙32、第一缝隙31、第二缝隙33和第三缝隙34，关于金属贴片3的几何中心对称分布。

所述U型缝隙32两臂之间相互平行，该U型缝隙32的两臂长为lu1，间距为lu2，其中，lu1＝16.5mm，lu2＝4mm。

所述第二缝隙33之间相互平行，该第二缝隙33长度为ls2，间距为d，其中，ls2＝20mm，d＝6mm。

所述第三缝隙34的直线段之间相互平行，该第三缝隙34的总长为ls3，其中，ls3＝18mm。

所述第一缝隙31的长度为ls1，其中，ls1＝12mm。

实施例2

实施例2的结构与实施例1的结构相同，仅对如下参数作了调整：

所述U型缝隙32两臂之间相互平行，该U型缝隙32的两臂长为lu1，间距为lu2，其中，lu1＝13.5mm，lu2＝2mm。

所述第二缝隙之间相互平行，该第二缝隙长度为ls2，间距为d，其中，ls2＝16mm，d＝4mm。

所述第三缝隙34的直线段之间相互平行，该第三缝隙34的总长为ls3，其中，ls3＝14.5mm。

所述第一缝隙31的长度为ls1，其中，ls1＝10mm。

实施例3

实施例3的结构与实施例1的结构相同，仅对如下参数作了调整：

所述U型缝隙32两臂之间相互平行，该U型缝隙32的两臂长为lu1，间距为lu2，其中，lu1＝19.5mm，lu2＝6mm。

所述第二缝隙之间相互平行，该第二缝隙长度为ls2，间距为d，其中，ls2＝24mm，d＝8mm。

所述第三缝隙34的直线段之间相互平行，该第三缝隙34的总长为ls3，其中，ls3＝21.5mm。

所述第一缝隙31的长度为ls1，其中，ls1＝14mm。

以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：

1.仿真条件和内容：

将实施例1所述低剖面宽带滤波天线置于xoy平面，利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实施例1在自由空间中进行仿真分析，反射系数与增益曲线如图4所示，中心频率处的方向图如图5所示。

2.仿真结果分析：

参照图4，图中横坐标为频率，左边纵坐标反映反射系数，右边纵坐标反映天线的视轴增益，虚线为天线的反射系数随频率变化的曲线，实线为天线的视轴增益随频率变化的曲线。

实施例1中的低剖面宽带滤波天线，以传输系数小于-10dB为标准，工作带宽为2.18-2.81GHz，相对带宽为25.3％，实现了宽频带上的阻抗匹配。从天线的视轴增益曲线可以看出：在2.0GHz、2.9GHz和3.3GHz处，增益有极小值点，为辐射零点；上边频增益的抑制达到了13.5dB，通带边缘处增益曲线斜率为208dB/GHz，下边频的增益的抑制达到了17dB，通带边缘处增益曲线的斜率为171dB/GHz，抑制幅度大，曲线边缘陡峭。

参照图5(a)和图5(b)，图5(a)为天线工作在中心频率2.5GHz时E面的增益方向图，图5(b)为天线工作在中心频率2.5GHz时H面的增益方向图。

实施例1中的低剖面宽带滤波天线具有良好的辐射方向图，最大增益指向z轴正方向，达到4.24dBi。交叉极化电平小于-30dB，极化纯度较高。E面H面的半功率波瓣宽度分别为95°、116.6°，拥有宽波束辐射特性。

以上仿真结果表明，本发明能够克服现有技术中天线带宽狭窄的问题，相对带宽能达到25.2％，并且在工作频带的上下边频处均引入了辐射零点，使得视轴增益曲线在通带边缘处更加陡峭，大幅度抑制天线的带外辐射，减少对邻近频带信号的干扰。

以上描述仅是本发明的实施例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种低剖面宽带滤波天线，包括金属地板(1)、设置于金属地板(1)正上方的介质板(2)、位于介质板(2)上表面边缘处的矩形金属贴片(3)、侧面的矩形金属壁(4)、贯穿于介质板(2)的两个金属短路柱(5)和同轴探针(6)；所述的矩形金属壁(4)一端与矩形金属贴片(3)的边缘相接，且另一端延伸至金属地板(1)边缘，其特征在于，所述的矩形金属贴片(3)与矩形金属壁(4)相接的边缘一侧蚀刻有两端为封闭结构的第一缝隙(31)，所述的矩形金属贴片(3)的中心部分蚀刻有开口朝向另一侧的U型缝隙(32)，该U型缝隙(32)的两侧各蚀刻有相同的第二缝隙(33)，该第二缝隙(33)一端开口，另一端为封闭结构，所述的第二缝隙(33)的两侧各蚀刻有相同的第三缝隙(34)，所述第三缝隙(34)由曲线段和直线段组成，该第三缝隙(34)的曲线段一端开口，且位于金属短路柱(5)和矩形金属壁(4)之间，该直线段的一端为封闭结构。

2.根据权利要求1所述的定向宽带滤波微带天线，其特征在于：所述U型缝隙(32)、第一缝隙(31)、第二缝隙(33)和第三缝隙(34)，关于金属贴片(3)的几何中心对称分布。

3.根据权利要求1所述的定向宽带滤波微带天线，其特征在于：所述U型缝隙(32)两臂之间相互平行，该U型缝隙(32)的两臂长为lu1，间距为lu2，其中，13.5mm≤lu1≤19.5mm，2mm≤lu2≤6mm。

4.根据权利要求1所述的定向宽带滤波微带天线，其特征在于：所述第二缝隙(33)之间相互平行，该第二缝隙(33)长度为ls2，间距为d，其中，16mm≤ls2≤24mm，4mm≤d≤8mm。

5.根据权利要求1所述的定向宽带滤波微带天线，其特征在于：所述第三缝隙(34)的直线段之间相互平行，该第三缝隙(34)的总长为ls3，其中，14.5mm≤ls3≤21.5mm。

6.根据权利要求1所述的定向宽带滤波微带天线，其特征在于：所述第一缝隙(31)的长度为ls1，其中，10mm≤ls1≤14mm。