CN109728425A - 双极化滤波贴片天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双极化滤波贴片天线，包括金属贴片、顶层介质基板、中间金属片、底层介质基板、金属大地，金属贴片上开设有四个槽，中间金属片、底层介质基板、金属大地形成的整体结构还开设有多个金属化过孔以构成基片集成谐振腔；金属大地的两侧分别设置有共面波导馈线，馈线将信号馈入腔中激励出一对正交简并模，再通过中间金属片上的十字槽后与金属贴片上的一对正交简并模分别进行耦合，使天线在两个极化上均获得二阶滤波响应且具有极化隔离特性，天线在两个极化上性能一致，结构简化，改变四个槽的长度与位置可改变两个极化上需要的外部品质因数，与馈线并联的终端短路的等长耦合线能在通带两端各产生一个辐射零点以提高天线的频率选择性。

Description

双极化滤波贴片天线

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种双极化滤波贴片天线。

背景技术

滤波贴片天线因其功能多，集成度高，成本低，总效率高等特点而被广泛应用于无线通信系统中。对于滤波贴片天线，目前报道了诸多设计方式。一种是通过使用层叠贴片结构引入辐射零点来实现天线滤波性能，这种方法能得到较高的天线增益，但其设计过程复杂且难以实现多阶滤波响应。另一种方法是采用匹配结构将滤波器与贴片天线集成设计形成滤波贴片天线，此方法可获得多阶滤波响应但其体积大，效率低。而利用天线取代滤波器最后一阶谐振器的方式得到的滤波贴片天线在一定程度上能同时兼顾效率，多阶滤波响应，增益与设计复杂度。但目前报道的大多数滤波贴片天线都是单极化设计。

双极化设计相较于单极化设计而言，能提供更大信道容量，降低系统安装成本，提高系统可靠性。目前已报道的双极化滤波贴片天线较少，主要有两种。一种是采用正交H形馈电结构的层叠贴片天线，其能在两个极化上均引入辐射零点来实现滤波响应，其端口隔离值可达35dB，但两个极化上对应的性能一致性较差。另一种是由两个微带谐振器分别与一片金属贴片的两个正交模式耦合得到双极化滤波贴片天线，两个极化上的性能一致性较好，且端口隔离值为32dB。然而该类天线缺乏双极化外部品质因数的调控手段，当带宽要求变化时，品质因数不能随之进行有效调控。

简而言之，现有的各种双极化滤波贴片天线的问题总结有以下几个方面：1)在两个极化上性能一致性较差；2)在两个极化上分别使用谐振器，增加了结构的复杂度；3)缺乏双极化所需外部品质因数的调控方法；4)端口隔离度有待进一步提升。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种双极化滤波贴片天线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种双极化滤波贴片天线，包括从上至下层叠设置的：方形金属贴片、顶层介质基板、中间金属片、底层介质基板、金属大地，所述方形金属贴片上开设有关于其中心对称分布的四个槽，所述四个槽分别平行于所述金属贴片四边；所述中间金属片、底层介质基板、金属大地形成的整体结构还开设有环绕该整体结构的中心呈方形排布且自上而下贯穿所述整体结构的多个金属化过孔，以构成一个方形基片集成谐振腔；所述金属大地的相邻的两侧分别设置有共面波导馈线，用于将信号馈入所述方形基片集成谐振腔中从而激励出一对正交简并模；所述中间金属片的中心开设有十字槽，以便所述方形基片集成谐振腔内的正交简并模通过后与方形金属贴片上的一对正交简并模分别进行耦合。

在本发明所述的双极化滤波贴片天线中，方形金属贴片、顶层介质基板、中间金属片、底层介质基板四者的平面形状均为方形，四者的前后对称面重合且左右对称面重合，所述方形金属贴片的平面尺寸小于所述顶层介质基板。

在本发明所述的双极化滤波贴片天线中，所述金属大地的相邻的两侧还设置有与所述馈线并联且终端短路的等长耦合线，所述等长耦合线由一对等长的条带构成。

在本发明所述的双极化滤波贴片天线中，所述金属大地为覆盖所述底层介质基板底部的方形金属层，且方形金属层的相邻的两侧均开设有一缺口，所述馈线和所述等长耦合线均位于所述缺口内，所述馈线的终端与金属大地连接，所述等长耦合线的其中一根条带的首端与所述馈线的腰部连接，所述等长耦合线的另一根条带的终端与金属大地连接。

本发明的双极化滤波贴片天线，具有以下有益效果：通过共面波导馈线将信号馈入基片集成谐振腔中，从而激励出腔内的一对正交简并模，该模式信号通过十字槽与方形金属贴片上的一对正交简并模分别进行耦合，使天线在两个极化上均获得二阶滤波响应且具有极化隔离特性，同时天线在两个极化上性能具有一致性，解决天线在两个极化上性能一致性较差的问题，减少谐振器数量，简化天线结构，提高天线隔离值，而且通过改变金属贴片上开的四个槽的长度与位置，可在保持天线中心频率不变的条件下，改变两个极化上需要的外部品质因数；另外，与馈线并联的终端短路的等长耦合线能在通带两端各产生一个辐射零点以提高天线的频率选择性，对于工作带宽、端口隔离与辐射零点位置，可通过十字槽的长度、金属化过孔的半径和与馈线并联的等长耦合线的线宽来分别进行调控，调控方式简单。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图：

图1是本发明双极化滤波贴片天线一实施例的剖视图；

图2是方形金属贴片的结构示意图；

图3是中间金属片的结构示意图；

图4是金属大地的结构示意图；

图5是天线的仿真匹配和增益曲线图；

图6是天线在3.5GHz处的仿真方向图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的典型实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

参考图1，本发明的双极化贴片天线包括从上至下层叠设置的五层结构，具体为两层介质基板：顶层介质基板和底层介质基板，以及三层电路结构1、2、3。参考图2-4，顶层电路结构1具体为设置在顶层介质基板顶部的一方形金属贴片6，中间电路结构2具体为设置在顶层介质基板底部和底层介质基板顶部之间的一中间金属片8，底层电路结构3为设置在底层介质基板底部的金属大地10。

其中，方形金属贴片6、顶层介质基板、中间金属片8、底层介质基板，这四者的平面形状均为方形，四者的前后对称面重合且左右对称面重合，所述方形金属贴片6的平面尺寸小于所述顶层介质基板。

具体的，参考图2，所述方形金属贴片6上开设有关于贴片6的中心对称分布的四个槽7，所述四个槽7分别平行于所述金属贴片6四边。

具体的，参考图3，中间金属片8的中心开设有十字槽9，十字槽9具体是两个等长的条形槽在中心位置垂直相交形成，条形槽的方向与中间金属片8的侧边平行。

其中，所述金属大地10的相邻的两侧分别设置有共面波导馈线11以及与所述馈线11并联且终端短路的等长耦合线12。具体的，所述金属大地10为覆盖所述底层介质基板底部的方形金属层，且方形金属层的相邻的两侧(比如图中的前侧和左侧)的中心位置均开设有一缺口。所述馈线11和等长耦合线12均位于所述缺口内。所述馈线11的延伸方向与其对应的缺口所在的侧边垂直，且馈线11的首端延伸至所述缺口的出口处，所述馈线11的终端与金属大地10连接。所述等长耦合线12由一对等长的条带构成，该对等长的条带平行错位设置且均与馈线11垂直，所述等长耦合线12的其中一根条带的首端与所述馈线11的腰部连接，所述等长耦合线12的另一根条带的终端与金属大地10连接。

其中，所述中间金属片8、底层介质基板、金属大地10，这三者形成的整体结构还开设有环绕该整体结构的中心呈方形排布且自上而下贯穿所述整体结构的多个金属化过孔4，以构成一个方形基片集成谐振腔5。

本实施例的天线的原理是：馈线11将外部输入的信号馈入所述方形基片集成谐振腔5中，从而激励出一对正交简并模(TE₂₁₀模与TE₁₂₀模)，其模式信号通过位于中间金属片8上的十字槽9与金属贴片6上的一对正交简并模(TM₁₀模与TM₀₁模)分别进行耦合，使天线在两个极化上均获得二阶滤波响应且具有极化隔离特性，同时天线在两个极化上性能具有一致性。与馈线11并联的等长耦合线12能在通带两端各产生一个辐射零点以提高天线的频率选择性。

本实施例中，通过改变金属贴片6上的四个槽7的长度与位置，可在保持天线中心频率不变的条件下，改变两个极化上需要的外部品质因数；对于工作带宽、端口隔离与辐射零点位置可通过位于金属片8上的十字槽9的长度、基片集成谐振腔5中金属化过孔4的半径和与馈线并联的等长耦合线12的线宽来分别进行调控。

下面列出了本发明的一个具体实例，其仿真的匹配响应和辐射响应如图5所示，可见该实例工作在3.5GHz，在中心频率处的增益为4.9dBi，10dB匹配带宽为1.7％，工作频带内端口隔离值为41dB。图6中上方的两个图是其中一个端口在3.5GHz处的天线仿真的方向图，下方的两个图是另一个端口在3.5GHz处的天线仿真的方向图，可见天线两个端口的3dB波束带宽在E面与H面上均为78°，交叉极化水平均大于25dB。本案例设计采用的是介电常数为3.38，损耗角为0.0027的RO4003C基板。

综上所述，本发明的双极化滤波贴片天线，具有以下有益效果：通过共面波导馈线将信号馈入基片集成谐振腔中，从而激励出腔内的一对正交简并模，该模式信号通过十字槽与方形金属贴片上的一对正交简并模分别进行耦合，使天线在两个极化上均获得二阶滤波响应且具有极化隔离特性，同时天线在两个极化上性能具有一致性，解决天线在两个极化上性能一致性较差的问题，减少谐振器数量，简化天线结构，提高天线隔离值，而且通过改变金属贴片上开的四个槽的长度与位置，可在保持天线中心频率不变的条件下，改变两个极化上需要的外部品质因数；另外，与馈线并联的等长耦合线能在通带两端各产生一个辐射零点以提高天线的频率选择性，对于工作带宽、端口隔离与辐射零点位置可通过十字槽的长度、金属化过孔的半径和与馈线并联的终端短路的等长耦合线的线宽来分别进行调控，调控方式简单。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种双极化滤波贴片天线，其特征在于，包括从上至下层叠设置的：方形金属贴片、顶层介质基板、中间金属片、底层介质基板、金属大地，所述方形金属贴片上开设有关于其中心对称分布的四个槽，所述四个槽分别平行于所述金属贴片四边；所述中间金属片、底层介质基板、金属大地形成的整体结构还开设有环绕该整体结构的中心呈方形排布且自上而下贯穿所述整体结构的多个金属化过孔，以构成一个方形基片集成谐振腔；所述金属大地的相邻的两侧分别设置有共面波导馈线，用于将信号馈入所述方形基片集成谐振腔中从而激励出一对正交简并模；所述中间金属片的中心开设有十字槽，以便所述方形基片集成谐振腔内的正交简并模通过后与方形金属贴片上的一对正交简并模分别进行耦合。

2.根据权利要求1所述的双极化滤波贴片天线，其特征在于，方形金属贴片、顶层介质基板、中间金属片、底层介质基板四者的平面形状均为方形，四者的前后对称面重合且左右对称面重合，所述方形金属贴片的平面尺寸小于所述顶层介质基板。

3.根据权利要求1或2所述的双极化滤波贴片天线，其特征在于，所述金属大地的相邻的两侧还设置有与所述馈线并联且终端短路的等长耦合线，所述等长耦合线由一对等长的条带构成。

4.根据权利要求3所述的双极化滤波贴片天线，其特征在于，所述金属大地为覆盖所述底层介质基板底部的方形金属层，且方形金属层的相邻的两侧均开设有一缺口，所述馈线和所述等长耦合线均位于所述缺口内，所述馈线的终端与金属大地连接，所述等长耦合线的其中一根条带的首端与所述馈线的腰部连接，所述等长耦合线的另一根条带的终端与金属大地连接。