CN109449585B - 一种紧凑高增益双极化差分滤波天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种差分馈电双极化滤波宽带天线，包括介质基板和金属地板；所述上层介质基板位于金属地板的上方，两者之间空气填充；上层介质基板上表面印刷正方形贴片，正方形贴片上蚀刻交叉十字缝隙；金属地板上蚀刻缺陷地结构，缺陷地结构由四个开口环缝隙组成，开口方向指向金属地板的中心，上述四个开口环缝隙关于金属地板的斜对角线对称；正方形贴片由同轴探针差分馈电，同轴探针位于正方形贴片交叉十字缝隙的末端附近，并且位于正方形贴片的中轴线上，且关于正方形贴片的中心点对称。该天线结构简单，减少了天线馈电部分的损耗，更适合与平面天线阵列设计，加工容易，成本和重量都小，可以大规模生产。

Description

一种紧凑高增益双极化差分滤波天线

技术领域

本发明涉及一种滤波天线，特别是一种紧凑高增益双极化差分滤波天线。

背景技术

天线和滤波器是无源电路中的两个关键器件，在无线通信系统中扮演着重要的角色。一款设计合理的高性能天线，在收发信号的同时，还可以有效的控制电磁能空间分布，优化网络质量，提高系统容量，进而大幅提高系统整体性能。微波滤波器起着选择信号、衰减噪声、避免信道间干扰等作用，在高性能的振荡、混频、倍频和放大等射频有源电路中普遍存在。天线和微波滤波器在微波通信、雷达导航、电子对抗、卫星接力等系统中，被广泛应用，它们性能的优异直接影响了整个系统的总体性能；它们尺寸大小也直接影响了整个系统尺寸的大小以及便携性。随着无线通信个性化、多样化的发展，越来越需要高性能便携式的终端设备，促使了天线和滤波器的小型化和可集成化，产生了各种结构紧凑、性能优异的天线和微波滤波器来满足小体积、轻重量、高性能的系统要求。无线通信系统研究中十分关键的工作，具有十分重要的研究意义。

在射频前端系统中，一般天线与滤波器这两个独立器件采用直接级联的方式来滤除谐波信号，但是两者直接级联则需要额外的连接线，这样不仅会导致系统的体积增大，还会带来额外的插入损耗。因此，天线和滤波器的集成具有十分重要的研究意义。现有技术中将天线与滤波器进行集成，设计成一个模块，天线作为滤波器的最后一级，构成滤波天线，这样不仅可以减小天线滤波器系统的尺寸面积，还有利于封装集成。但是这样的集成方式仍然有较大的尺寸和插入损耗，影响天线性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种紧凑高增益双极化差分滤波天线，该天线能在紧凑结构下实现较高的增益以及滤波性能。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种紧凑高增益双极化差分滤波天线，包括介质基板和金属地板；所述上层介质基板位于金属地板的上方，两者之间空气填充；

上层介质基板上表面印刷正方形贴片，正方形贴片上蚀刻交叉十字缝隙；金属地板上蚀刻缺陷地结构，缺陷地结构由四个开口环缝隙组成，开口方向指向金属地板的中心，上述四个开口环缝隙关于金属地板的斜对角线对称；

正方形贴片由同轴探针差分馈电，同轴探针位于正方形贴片交叉十字缝隙的末端附近，并且位于正方形贴片的中轴线上，且关于正方形贴片的中心点对称；

正方形贴片和金属地板通过短路探针连接，所述短路探针均匀分布在正方形贴片的对角线上，且关于正方形贴片的中心点对称。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明的一种紧凑高增益双极化差分滤波天线，没有额外的滤波电路，可以有效减小射频前端的体积和额外的损耗，使天线具有紧凑的结构和较高的增益；2)本发明的基于缺陷地结构和交叉十字缝隙的紧凑高增益双极化差分滤波天线，通过采用缺陷地结构和十字缝隙与探针组合结构，使天线在实现滤波性能的同时实现了较宽的带宽；3)本发明的基于缺陷地结构和交叉十字缝隙的紧凑高增益双极化差分滤波天线，通过采用完全对称的结构以及差分馈电方式，使天线抑郁拓展到双极化应用中，在两个极化方向上方向图对称且一致，并且具有较低的交叉极化；4)本发明的基于缺陷地结构和交叉十字缝隙的紧凑高增益双极化差分滤波天线，采用介质基板和金属地板的组合，结构简单，加工容易，成本和重量都相对较小，可以大规模生产。

下面结合说明书附图对本发明做进一步描述。

附图说明

图1为本发明一种紧凑高增益双极化差分滤波天线的整体结构，其中图1(a)为结构示意图，图1(b)为剖视图。

图2为本发明的一种紧凑高增益双极化差分滤波天线的俯视图，其中图(a)为上层介质基板俯视图，图(b)为下层金属地板俯视图，

图3为本发明的一种紧凑高增益双极化差分滤波天线中加载的交叉十字缝隙与缺陷地结构示意图，其中图(a)为交叉十字缝隙示意图，图(b)为缺陷地结构示意图。

图4为本发明的一种紧凑高增益双极化差分滤波天线的反射特性示意图。

图5为本发明的一种紧凑高增益双极化差分滤波天线的增益随频率变化的示意图。

图6为本发明的一种紧凑高增益双极化差分滤波天线在不同频率处的辐射方向图示意图，其中图(a)的频率为2.36GHz，图(b)的频率为2.58GHz，图(c)的频率为2.28GHz。

具体实施方式

结合附图，本发明的一种紧凑高增益双极化差分滤波天线，包括介质基板和金属地板；所述上层介质基板6位于金属地板7的上方，两者之间空气填充；

上层介质基板6上表面印刷正方形贴片1，正方形贴片1上蚀刻交叉十字缝隙2；金属地板7上蚀刻缺陷地5结构，缺陷地结构5由四个开口环缝隙8组成，开口方向指向金属地板7的中心，上述四个开口环缝隙8关于金属地板7的斜对角线对称；

正方形贴片1由同轴探针4差分馈电，同轴探针4位于正方形贴片1交叉十字缝隙2的末端附近，并且位于正方形贴片1的中轴线上，且关于正方形贴片1的中心点对称；

正方形贴片1和金属地板7通过短路探针3连接，所述短路探针3均匀分布在正方形贴片1的对角线上，且关于正方形贴片1的中心点对称。

所述正方形贴片1位于介质基板6的中央，交叉十字缝隙2位于正方形贴片1的中央，交叉十字缝隙2与正方形贴片1的对角线相重合。

所述交叉十字缝隙2的末端呈中心对称弯折。

开口环缝隙8为正方形，开口位置位于正方形的一个角。

所述短路探针3的数量为八个，正方形贴片1的每条对角线上设置四个。

所述同轴探针4位于开口环缝隙8的开口位置，且被包围在开口环缝隙8内部。

介质基板6的介电常数εr取值范围为2.2至4.4，厚度为0.02λ，0.05λ；金属地板7厚度为0.005λ，0.02λ，介质基板6、金属地板7均为正方形，其边长G均为0.58λ，1.5λ，介质基板6、金属地板7之间距离为0.01λ，0.05λ，其中，λ为自由空间波长。

正方形贴片1边长P₂为0.3λ,0.7λ，交叉十字缝隙2交叉部分的长度L₁为0.1λ,0.3λ，一次弯折的长度L₂为0.05λ,0.2λ，二次弯折的长度L₃为0.02λ,0.05λ，交叉十字缝隙2宽度为0.001λ,0.003λ；短路探针3半径R₀为0.001λ,0.005λ，第一组短路探针3之间的距离w₁为0.1λ,0.3λ，第二组短路探针3之间的距离w₂为0.3λ,0.7λ。

组成缺陷地结构5结构的开口环缝隙8大小为0.1λ,0.3λ，所开的正方形口边长ds为0.01λ,0.04λ，开口环缝隙8宽度S₁为0.008λ,0.03λ，相邻两个开口环缝隙8之间的距离d为0.01λ,0.04λ。

各个同轴探针4距离正方形贴片1边缘为0.05λ,0.3λ。

本发明的一种紧凑高增益双极化差分滤波天线，没有额外的滤波电路，可以有效减小射频前端的体积和额外的损耗，使天线具有紧凑的结构和较高的增益。该天线由介质基板和金属地板组成，在两个极化方向都采用差分探针馈电的方式。所述天线包括上下叠放的介质基板和金属地板；铜板在下面作为金属地板，蚀刻缺陷地结构；介质基板在金属地板上面，两者之间有一定的距离填充空气。馈电探针穿过接地板和介质基板给贴片馈电，贴片上印刷十字交叉缝隙；此外，在贴片的对角线上对称引入短路探针，缺陷地结构和交叉十字缝隙在通带边缘频率处产生谐振，引起接地板和贴片上的电流变化，在远场辐射相消引入零点，提高通带边缘的频率选择性实现滤波响应。同时，短路探针引入后，缺陷地结构和十字缝隙分别可以在原谐振点附近产生额外的谐振点，因此展宽了带宽。天线没有额外的滤波电路，因此具有紧凑的结构和较高的增益。另外，天线的对称性和差分馈电方式可以降低天线的交叉极化，并且改善方向图的对称性。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述。

实施例

结合图1(a)、图1(b)、图2和图3，本发明的一种紧凑高增益双极化差分滤波天线，包括介质基板和金属地板；所述上层介质基板6位于金属地板7的上方，两者之间空气填充；

上层介质基板6上表面印刷正方形贴片1，正方形贴片1上蚀刻交叉十字缝隙2；金属地板7上蚀刻缺陷地5结构，缺陷地结构5由四个开口环缝隙8组成，开口方向指向金属地板7的中心，上述四个开口环缝隙8关于金属地板7的斜对角线对称；

正方形贴片1由同轴探针4差分馈电，同轴探针4位于正方形贴片1交叉十字缝隙2的末端附近，并且位于正方形贴片1的中轴线上，且关于正方形贴片1的中心点对称；

正方形贴片1和金属地板7通过短路探针3连接，所述短路探针3均匀分布在正方形贴片1的对角线上，且关于正方形贴片1的中心点对称。

所述正方形贴片1位于介质基板6的中央，交叉十字缝隙2位于正方形贴片1的中央，交叉十字缝隙2与正方形贴片1的对角线相重合。

所述交叉十字缝隙2的末端呈中心对称弯折。

开口环缝隙8为正方形，开口位置位于正方形的一个角。

所述短路探针3的数量为八个，正方形贴片1的每条对角线上设置四个。

所述同轴探针4位于开口环缝隙8的开口位置，且被包围在开口环缝隙8内部。

介质基板6的介电常数εr为2.65，厚度为0.033λ；金属地板7厚度为0.0083λ，介质基板6、金属地板7均为正方形，其边长G均为0.83λ，介质基板6、金属地板7之间距离为0.025λ，其中，λ为自由空间波长。

正方形贴片1边长P₂为0.43λ，交叉十字缝隙2交叉部分的长度L₁为0.2λ，一次弯折的长度L₂为0.105λ，二次弯折的长度L₃为0.029λ，交叉十字缝隙2宽度为0.0025λ；短路探针3半径R₀为0.0025λ，第一组短路探针3之间的距离w₁为0.225λ，第二组短路探针3之间的距离w₂为0.43λ。

组成缺陷地结构5结构的开口环缝隙8大小P₁为0.17λ，所开的正方形口边长ds为0.0225λ，开口环缝隙8宽度S₁为0.018λ，相邻两个开口环缝隙8之间的距离d为0.025λ。

各个同轴探针4距离正方形贴片1边缘为0.25λ。

结合图4，天线在中心频率处匹配良好，且具有较宽的阻抗带宽，带宽为23％。

结合图5，天线在工作频段内具有较高的稳定增益，最大增益为8.9dBi，且在工作频段边缘具有良好的频率选择性，带外具有较高的抑制，抑制大于20dB。可以看出，天线在紧凑高增益的结构下实现了具有滤波性能的双极化宽带天线。

结合图6，采用差分馈电方式和对称的天线结构，改善天线方向图的对称性，同时使得天线具有较低交叉极化，交叉极化电平小于-40dB。

由上可知，本发明实现了具有滤波响应的宽带天线，天线在实现良好滤波性能的同时不影响天线工作频带内的性能。天线在两个极化方向上具有对称的方向图，且有较低的交叉极化。

Claims (10)

1.一种紧凑高增益双极化差分滤波天线，其特征在于，包括上层介质基板和金属地板；所述上层介质基板[6]位于金属地板[7]的上方，两者之间空气填充；

上层介质基板[6]上表面印刷正方形贴片[1]，正方形贴片[1]上蚀刻交叉十字缝隙[2]；金属地板[7]上蚀刻缺陷地[5]结构，缺陷地结构[5]由四个开口环缝隙[8]组成，开口方向指向金属地板[7]的中心，上述四个开口环缝隙[8]关于金属地板[7]的斜对角线对称；

正方形贴片[1]由同轴探针[4]差分馈电，同轴探针[4]位于正方形贴片[1]交叉十字缝隙[2]的末端附近，并且位于正方形贴片[1]的中轴线上，且关于正方形贴片[1]的中心点对称；

正方形贴片[1]和金属地板[7]通过短路探针[3]连接，所述短路探针[3]均匀分布在正方形贴片[1]的对角线上，且关于正方形贴片[1]的中心点对称。

2.根据权利要求1所述的紧凑高增益双极化差分滤波天线，其特征在于，所述正方形贴片[1]位于介质基板[6]的中央，交叉十字缝隙[2]位于正方形贴片[1]的中央，交叉十字缝隙[2]与正方形贴片[1]的对角线相重合。

3.根据权利要求2所述的紧凑高增益双极化差分滤波天线，其特征在于，所述交叉十字缝隙[2]的末端呈中心对称弯折。

4.根据权利要求1所述的紧凑高增益双极化差分滤波天线，其特征在于，开口环缝隙[8]为正方形，开口位置位于正方形的一个角。

5.根据权利要求1所述的紧凑高增益双极化差分滤波天线，其特征在于，所述短路探针[3]的数量为八个，正方形贴片[1]的每条对角线上设置四个。

6.根据权利要求1所述的紧凑高增益双极化差分滤波天线，其特征在于，所述同轴探针[4]位于开口环缝隙[8]的开口位置，且被包围在开口环缝隙[8]内部。

7.根据权利要求1所述的紧凑高增益双极化差分滤波天线，其特征在于，介质基板[6]的介电常数εr为[2.2,4.4]，厚度为[0.02λ，0.05λ]；金属地板[7]厚度为[0.005λ，0.02λ]，介质基板[6]、金属地板[7]均为正方形，其边长G均为[0.58λ，1.5λ]，介质基板[6]、金属地板[7]之间距离为[0.01λ，0.05λ]，其中，λ为自由空间波长。

8.根据权利要求5所述的紧凑高增益双极化差分滤波天线，其特征在于，正方形贴片[1]边长P₂为[0.3λ,0.7λ]，交叉十字缝隙[2]交叉部分的长度L₁为[0.1λ,0.3λ]，一次弯折的长度L₂为[0.05λ,0.2λ]，二次弯折的长度L₃为[0.02λ,0.05λ]，交叉十字缝隙[2]宽度为[0.001λ,0.003λ]；短路探针[3]半径R₀为[0.001λ,0.005λ]，第一组短路探针[3]之间的距离w₁为[0.1λ,0.3λ]，第二组短路探针[3]之间的距离w₂为[0.3λ,0.7λ]。

9.根据权利要求1所述的紧凑高增益双极化差分滤波天线，其特征在于，组成缺陷地结构[5]结构的开口环缝隙[8]大小为[0.1λ,0.3λ]，所开的正方形口边长ds为[0.01λ,0.04λ]，开口环缝隙[8]宽度S₁为[0.008λ,0.03λ]，相邻两个开口环缝隙[8]之间的距离d为[0.01λ,0.04λ]。

10.根据权利要求1所述的紧凑高增益双极化差分滤波天线，其特征在于，各个同轴探针[4]距离正方形贴片[1]边缘为[0.05λ,0.3λ]。

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