CN109802225B - 一种微带滤波天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微带滤波天线，包括介质板、设置于介质板下表面的接地板和设置于介质板上表面的贴片；介质板的三个侧壁上分别设置有一层短路侧壁；贴片通过短路侧壁与接地板连接；贴片上刻蚀有一条缝隙；贴片和接地板上还分别上下对应设置有多个金属化过孔；贴片上设有馈电点。本发明的微带滤波天线实现了双零点，且单零点可调；同时，还利用半模实现了天线的小型化设计，降低了天线的物理尺寸；提高了通带内的稳定增益；实现了天线在H面的低交叉极化。
Description
技术领域
本发明涉及微带天线技术领域，尤其涉及一种微带滤波天线。
背景技术
天线作为一种收发电磁波的装置，其电磁性能的好坏直接影响着无线通信系统的优劣。随着通信技术的发展和无线电设备应用的普及，人们对天线的要求也越来越高，传统天线越来越不能满足人们的要求，因而改善天线性能至关重要。
为了节约资源，多功能型天线的研究也是一大热点。在射频前端电路中，天线和滤波器的尺寸和性能决定了整个通信系统的性能。传统设计方法是将滤波器和天线进行级联实现对收发信号的滤波，但这样容易导致器件间阻抗失配且电路尺寸较大。将天线和滤波器集成设计成滤波天线很好的解决了这一问题。滤波天线具有辐射、阻抗匹配、滤波和平衡转换功能，同时实现电路的集成化及小型化。滤波天线以其优异性能已逐渐成为该领域的研究热点。
相较其它天线而言，微带天线具有诸多优点，小型轻便，便与集成，易获得圆极化、双极化等，因而近年来微带结构的滤波天线备受关注。将微带天线一侧短路后，将出现TMn,m/2等半模，其中n＝0,2,4,…，m＝1,3,5,…，利用半模可以实现天线的小型化设计。
Chin-Kai Lin等人提出了一种具有准椭圆函数天线增益响应的二阶滤波微带天线，该天线利用辐射贴片和谐振器耦合实现了具有滤波特性的微带天线。但是，该天线增加了额外的电路面积；也没有表现出良好的滤波器性能，并且其阻带抑制以及导纳逆变器很难合成；并且，其限于线性极化，不适用于某些新出现的应用，例如用于紧凑型室内基站或便携式可穿戴设备的天线；同时，由于采用的是单极子元件，使得该平面滤波天线都具有近全向辐射方向；并且在通带内的增益不高。
Wu,Wei-Jun等人提出了用于现代无线通信系统的新型紧凑型三阶滤波器天线，该滤波器天线提供了良好的裙边选择性；电响应具有集成的滤波和辐射功能，非常适用于RF前端。但是，滤波器和天线的直接连接增加了系统的尺寸和复杂性，不利于小型化的实现；并且，该滤波天线工作在单一频带，其工作带宽和零点均不可调，且增益较低。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种微带滤波天线，该天线利用缝隙可实现双零点，且单零点可调；同时可提高通带内的稳定增益，实现天线在H面的低交叉极化，且可降低天线的物理尺寸。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
一种微带滤波天线，包括：介质板、设置于所述介质板下表面的接地板和设置于所述介质板上表面的贴片；所述介质板的三个侧壁上分别设置有一层短路侧壁；所述贴片通过所述短路侧壁与所述接地板连接；所述贴片上刻蚀有一条缝隙；所述贴片和所述接地板上还分别上下对应设置有多个金属化过孔，所述介质板中设置有与所述金属化过孔相对应的通孔，所述通孔的内壁涂覆有金属层；所述介质板和所述接地板上还设置有上下对应的用于同轴馈电的过孔，所述贴片上设有与所述过孔相对应的馈电点。
本发明技术方案的特点和进一步的改进在于：
优选地，所述贴片为正方形。
进一步优选的，所述介质板的横截面为矩形，所述贴片的边长等于所述介质板的短边的边长。
优选地，所述短路侧壁为涂覆在所述介质板的侧壁上的金属层。
优选地，所述金属化过孔为3个。
优选地，所述微带滤波天线的工作频带为5-7GHz，工作模式为TM1,5/2模式和TM3,1/2模式。
优选地，所述缝隙两侧的电场幅度相等，相位相反。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的微带滤波天线结构简单，且低剖面，便于加工集成；且利用缝隙实现双零点，且单零点可调，降低了加工成本，具有很高的应用价值；同时，还利用半模实现了天线的小型化设计，降低了天线的物理尺寸；实现了通带内的稳定增益，平均增益大于6dB；此外，还利用短路边实现了该天线在H面小于-32dB的低交叉极化。
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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的微带滤波天线的一种实施例的立体结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为本发明的微带滤波天线只刻蚀缝隙时得增益曲线和零点分布图；
图4为本发明的微带滤波天线在TM1,5/2模式下工作的电场图；
图5为本发明的微带滤波天线在TM3,1/2模式下工作的电场图；
图6为本发明的微带滤波天线的S11曲线图；
图7为本发明的微带滤波天线左零点的电场矢量图；
图8为本发明的微带滤波天线右零点的电场矢量图；
图9为本发明的微带滤波天线的增益随频率的变化关系图；
图10为本发明的微带滤波天线零点和工作频率随缝隙宽度的变化关系图；
图11为本发明的微带滤波天线在工作频率处的H面的交叉极化和共极化图。
以上图1-图11中：1介质板；2接地板；3贴片；4短路侧壁；5缝隙；6金属化过孔；7馈电点。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本发明提供一种微带滤波天线，包括：介质板、设置于所述介质板下表面的接地板和设置于所述介质板上表面的贴片；所述介质板的三个侧壁上分别设置有一层短路侧壁；所述贴片通过所述短路侧壁与所述接地板连接；所述贴片上刻蚀有一条缝隙；所述贴片和所述接地板上还分别上下对应设置有多个金属化过孔，所述介质板中设置有与所述金属化过孔相对应的通孔，所述通孔的内壁涂覆有金属层；所述介质板和所述接地板上还设置有上下对应的用于同轴馈电的过孔，所述贴片上设有与所述过孔相对应的馈电点。
具体的，
参考图1和图2，图1是本发明的微带滤波天线的一种实施例的立体结构示意图；图2是图1的俯视图。
本实施例提供的微带滤波天线包括：介质板、设置于所述介质板下表面的接地板和设置于所述介质板上表面的贴片；其中，介质板为高h＝0.508mm、长a＝50mm、宽b＝45mm的长方体，其选用rogers5880，其介电常数为εr＝2.2，损耗角正切tanδ＝0.0009；贴片为边长为45mm的正方形。
介质板的三个侧壁上分别设置有一层短路侧壁，即在介质板的三个侧壁上分别涂覆一层金属层，本实施例采用铜进行涂覆，在介质板的侧壁上涂覆的宽度不小于贴片的边长，高度等于介质板的高度h；利用三面的短路侧壁将贴片的边缘与接地板连接，实现该微带滤波天线三边短路，由此决定了该微带滤波天线的工作模式为半模，激励出TM1,5/2模式和TM3,1/2模式两种工作模式，并实现H面的低交叉极化。
为了形成零点，本发明在贴片上刻蚀缝隙，缝隙两侧的电场应满足幅度相等、相位相反的特点。由于TM1,5/2模式的周期性特点，在其电场最强的中间位置刻蚀缝隙，缝隙两侧的电矢量在远场区相互抵消，形成零点。由此确定缝隙的位置，如图1和图2所示。
此外，缝隙的宽度会影响其两侧的电场，决定了零点产生的频率。此时，天线的增益曲线图如图3所示，图中画圈所示位置即为传输零点。其中左零点形成机制如上所述，右零点则是因为TM1,5/2模式和TM3,1/2模式的场型分布决定；又因为TM1,5/2模式和TM3,1/2模式相距过近，为了提高天线在高频处的选择性，应使TM3,1/2模式远离通带，并适当提高TM1,5/2模式的工作频率。然后再在贴片和接地板上刻蚀金属化过孔，并将金属化过孔加载在TM1,5/2模式电场相对较弱、TM3,1/2模式场强最强的位置，即图1和图2中的金属过孔的所在位置。
经试验仿真发现，加载3个金属通孔时可以很好的实现天线在高频处的选择性，出于实际加工考虑，金属过孔的半径为1mm。另外，缝隙的长度与天线输入的电抗有关，选择合适的缝隙长度以实现匹配。
综上，本实施例中，在贴片上刻蚀一条长度l＝29.6mm、宽度ws＝1mm的缝隙；并在贴片和接地板上分别上下对应设置有3个半径rp＝1mm的金属化过孔，并在介质板中设置有与金属化过孔相对应的通孔，通孔内壁涂覆有金属层，本实施例涂覆有铜。
此外，本实施例提供的微带滤波天线是通过同轴底馈的方式进行馈电，在介质板和接地板上分别设置上下对应的用于同轴馈电的过孔，贴片设有与过孔相对应的馈电点，馈电点的位置如图1所示，距离介质板边缘14mm。
微带天线的四周可以等效为理想磁壁，根据奇偶模理论，对于奇模，微带中缝可以等效为理想磁壁，而对于偶模，其等效为理想电壁。那么，微带天线一侧短路后，将出现TMn,m/2模式，其中n＝0,2,4,…，m＝1,3,5,…。利用半模可以实现天线的小型化设计。本实施例提供的微带滤波天线工作于TM1,5/2模式，工作频率是6.4GHz，其对应的电场图如图4所示，工作于TM3,1/2模式的电场图如图5所示。此外，TM1,5/2模式和TM3,1/2模式之间由于微带天线的固有特性存在零点。
在6.37GHz—6.41GHz频带范围内，本实施例提供的微带滤波天线的s参数小于-10dB，其s参数曲线图如图6所示。两个零点分别位于6.2GHz和6.62GHz处，其对应的电场矢量图分别如图7和图8所示。
此外，在本实施例提供的微带滤波天线的工作频带内，天线的增益大于6dBi，如图9所示。
天线的零点随缝隙宽度ws的变化如图10所示，实现了单条缝隙对天线零点和工作频点的调控。
图11是本实施例提供的微带滤波天线在工作频点6.4Ghz处的H面的交叉极化和共极化，由图可以看出，其交叉极化小于-32dB，说明本实施例提供的微带滤波天线实现了低交叉极化。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种微带滤波天线，其特征在于，包括：介质板、设置于所述介质板下表面的接地板和设置于所述介质板上表面的贴片；
所述介质板的三个侧壁上分别设置有一层短路侧壁；
所述贴片通过所述短路侧壁与所述接地板连接；所述微带滤波天线的工作模式为半模；
所述贴片上刻蚀有一条缝隙；所述缝隙两侧的电场幅度相等，相位相反；
所述贴片和所述接地板上还分别上下对应设置有多个金属孔，所述介质板中设置有与所述金属孔相对应的通孔，所述通孔的内壁涂覆有金属层；
所述介质板和所述接地板上还设置有上下对应的用于同轴馈电的过孔，所述贴片上设有与所述过孔相对应的馈电点；
所述微带滤波天线的工作频带为5-7GHz，工作模式为TM1,5/2模式和TM3,1/2模式；所述微带滤波天线利用缝隙实现双零点，且单零点可调。
2.根据权利要求1所述的微带滤波天线，其特征在于，所述贴片为正方形。
3.根据权利要求2所述的微带滤波天线，其特征在于，所述介质板的横截面为矩形，所述贴片的边长等于所述介质板的短边的边长。
4.根据权利要求1所述的微带滤波天线，其特征在于，所述短路侧壁为涂覆在所述介质板的侧壁上的金属层。
5.根据权利要求1所述的微带滤波天线，其特征在于，所述金属孔为3个。
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