CN109904607A

CN109904607A - 一种简单紧凑的宽阻带滤波贴片天线

Info

Publication number: CN109904607A
Application number: CN201910249989.2A
Authority: CN
Inventors: 杨琬琛; 张迎琪; 车文荃; 薛泉; 廖绍伟; 陈璐
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2019-03-29
Publication date: 2019-06-18
Anticipated expiration: 2039-03-29
Also published as: CN109904607B

Abstract

本发明公开了一种简单紧凑的宽阻带滤波贴片天线，包括上下间隔设置的介质基板和金属地板、金属探针，所述介质基板的上表面居中设置有辐射贴片，所述辐射贴片上设置有开口环型缝隙；所述介质基板的下表面设置U型支节，所述开口环型缝隙与U型支节的开口方向一致且均为关于介质基板的y向中轴线的对称结构；所述金属探针一端与金属地板上设置的圆孔共圆心组成同轴馈电结构，另一端依次穿过所述金属U型支节同所述y向中轴线的相交处、介质基板后与所述辐射贴片相连接。本发明结构简单、可大大减少射频前端的体积且没有额外的插入损耗，可在紧凑高增益的结构下实现滤波性能，加工容易、成本低、体积小，更适合平面天线阵列设计及大规模生产。

Description

一种简单紧凑的宽阻带滤波贴片天线

技术领域

本发明涉及一种滤波天线，具体涉及一种简单紧凑的宽阻带滤波贴片天线。

背景技术

随着现代无线通信技术的发展，通信系统趋于小型化、集成化、多功能化。由于大规模集成电路技术和半导体IC技术的发展成熟，微波有源电路的小型化设计得以实现，并可以利用封装技术实现单芯片多功能集成。但是对于微波无源电路，特别是射频前端的器件的设计而言，其工作机理受制于物理尺寸与环境因素，小型化集成化的程度与有源电路相比还是远远不够，成为了系统小型化的难点。

在无线通讯系统中，滤波器、天线等器件必不可少，其功能主要是实现信号的选取，滤除频带外的噪声，抑制谐波等。一般来说，天线和滤波器都是分立元件，二者在独立设计后由传输线或者匹配电路直接级联来协调工作。但级联设计又需要额外的电路来进行阻抗匹配，必定会增大整个系统的尺寸、产生额外的传输损耗，这不仅影响了天线的辐射性能，也增加了系统损耗。

滤波天线是把天线和滤波器作为一个整体而设计，同时具备辐射、阻抗匹配、滤波的能力，更容易实现射频前端器件的小型化、集成化。滤波天线的优点主要有：滤波功能与辐射功能互不冲突，其通带内可以保证较高的辐射效率、通带外较低的效率可以作为传输阻带实现滤波功能，并且边带具有较好的选择性；融合设计可以节省原本滤波器与天线级联的匹配网络，有利于实现小型化；滤波器与级联电路的减少可以降低插入损耗，从而提高系统效率。这实现了天线模块的多功能化，有效地减少了系统中的结构，大大减小了系统的尺寸，更符合系统的小型化高性能的发展需求。滤波天线的设计方法主要分为两类：一种方法是滤波器和天线进行集成设计，天线作为滤波器的最后一级谐振，但是系统中仍然存在插入损耗。第二种方法是在不引入额外滤波电路的前提下，在天线单元上加载一些特定的结构来改变天线的辐射模式或者是辐射方向图，由此在通带左右两边引入增益零点，进而实现天线辐射增益的带通滤波特性，这种方法更利于通信系统实现小型化、集成化、多功能化。

发明内容

针对上述技术问题之一，本发明的目的在于提供一种简单紧凑的宽阻带滤波贴片天线，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：

一种简单紧凑的宽阻带滤波贴片天线，包括矩形的介质基板和金属地板、金属探针，所述介质基板与金属地板上下间隔设置，所述介质基板的上表面居中设置有矩形金属辐射贴片，所述辐射贴片上设置有开口环型缝隙；所述介质基板的下表面设置金属U型支节，所述开口环型缝隙与U型支节的开口方向一致且均为关于所述介质基板y向中轴线的对称结构；所述金属探针垂直设置在所述介质基板、金属地板之间，其一端与金属地板上设置的圆孔共圆心组成同轴馈电结构，另一端依次穿过所述金属U型支节同所述y向中轴线的相交处、介质基板后与所述辐射贴片相连接，所述金属探针与辐射贴片的连接处位于所述开口环型缝隙合围的范围内的所述介质基板的y向的中轴线上并靠近开口环型缝隙的开口处。其目的是让开口环型缝隙引入通带内谐振点，展宽通带带宽，并形成下阻带。

进一步地，所述介质基板的介电常数ε_r为2.2～4.4，厚度h₁为0.01λ～0.1λ；金属地板厚度为0.005λ～0.05λ，其中，λ为中心频率对应的自由空间波长，介质基板的厚度可根据天线的带宽要求在上述范围内自行选择，均可实现阻带抑制的滤波功能。

进一步地，所述介质基板、金属地板为矩形，且边长g均为0.4λ～1λ，其中，λ为中心频率对应的自由空间波长，金属地板的两边边长可根据天线的尺寸要求在上述范围内自行选择，均可实现阻带抑制的滤波功能。

进一步地，所述介质基板、金属地板之间的间隔h₂为0.02λ～0.2λ，其中，λ为中心频率对应的自由空间波长，介质基板与金属地板的间隔可根据天线的带宽要求在上述范围内自行选择，均可实现阻带抑制的滤波功能。

进一步地，所述辐射贴片的非辐射边a为0.2λg₀～0.7λg₀，辐射边b为0.3λg₀～0.7λg₀，其中，λg₀为天线中心频率对应的介质有效波长，辐射贴片的非辐射边长可以用于调节通带内阻抗匹配，辐射边长由介质基板的厚度、介电常数及介质基板与金属地板的间距决定，在上述范围内均可实现阻带抑制的滤波功能。

进一步地，所述开口环型缝隙为C形直角弯折缝隙，所述C形直角弯折缝隙的缝宽w₀＝0.005λg₁～0.01λg₁，平行所述y向中轴线的两相对边的长p₂为0.05λg₁～0.3λg₁，间距p₁为0.05λg₁～0.3λg₁,所述C形直角弯折缝隙开口处的两相对边的长p₃＝0.01λg₁～0.1λg₁，且C形直角弯折缝隙的总长度(p₁+2×p₂+2×p₃)为0.4λg₁～0.6λg₁，其中，λg₁为天线通带下边频零点频率对应的介质有效波长，C形直角弯折缝隙的各边长度p₁，p₂，p₃用于调整通带内阻抗匹配、通带下边频零点频率和下阻带抑制性能。

进一步地，所述C形直角弯折缝隙与所述辐射贴片背离所述开口环型缝隙开口方向的边缘的距离p₀为0.01λg₁～0.1λg₁，其中，λg₁为天线通带下边频零点频率对应的介质有效波长，p₀用于调整通带内阻抗匹配和下阻带抑制性能。值得注意的是，开口环型缝隙位于辐射贴片的一边而非中心位置，是为了将开口环型缝隙置于电场较强处，切割贴片表面电流，从而引入通带下边频零点，实现滤波功能。

进一步地，所述金属U型支节6沿垂直所述y向中轴线方向的长度s₁为0.05λg₂～0.3λg₂，沿平行所述y向中轴线方向的长度s₂为0.05λg₂～0.3λg₂，宽度w₁为0.01λg₂～0.1λg₂，且金属U型支节的总长度(2×s₁+2×s₂)为0.5λg₂，其中，λg₂为天线通带上边频零点频率对应的介质有效波长，金属U型支节的缺口方向需与开口环型缝隙的缺口方向一致，金属U型支节边长与宽度用于调整通带内阻抗匹配、通带上边频零点频率和上阻带抑制性能。

进一步地，所述金属探针的直径为0.001λ～0.01λ；所述圆孔的直径为0.002λ～0.04λ，其中，λ为中心频率对应的自由空间波长，圆孔与金属探针共圆心，圆孔的直径大于金属探针的直径，两者形成同轴接口结构，其具体尺寸由所选的射频同轴接头的型号决定。

进一步地，所述金属探针与辐射贴片的连接处与所述辐射贴片背离所述开口环型缝隙开口方向的边缘的距离d为0.01λg₀～0.2λg₀，其中，λg₀为天线中心频率对应的介质有效波长，距离d用于调整通带的阻抗匹配。

相比现有技术，本发明的有益效果包括：

本发明与现有技术相比，其显著优点包括：

1)本发明提出的简单紧凑的宽阻带滤波贴片天线，加载的结构包括开口环型缝隙、U型支节，由于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)本发明提出的简单紧凑的宽阻带滤波贴片天线，通过加载开口环型缝隙、U型支节，使天线在实现滤波性能的同时实现了较宽的带宽。

3)本发明提出的简单紧凑的宽阻带滤波贴片天线，通过加载开口环型缝隙、U型支节，使天线在馈电过程中产生电流反相、辐射抵消，从而形成增益零点，多个辐射零点可以让阻带部分形成较好的抑制水平与较宽的阻带带宽，其中，上阻带的上边频可达到2.3个中心频率处。

4)本发明提出的简单紧凑的宽阻带滤波贴片天线，采用1层介质基板和1层金属地板，结构简单，加工容易，成本和重量都相对较小，因而可以大规模生产。

附图说明

图1是本发明实施例的立体结构示意图。

图2(a)是本发明实施例的介质基板俯视图，图2(b)是本发明实施例的介质基板的仰视图，图2(c)是本发明实施例的金属地板的俯视图，图2(d)是本发明实施例的侧视图。

图3(a)是本发明实施例的增益随频率变化的示意图；图3(b)是本发明实施例的反射特性随频率变化的示意图。

图4(a)是本发明实施例的在4.89GHz处的辐射方向图示意图；图4(b)是本发明实施例的在5.34GHz处的辐射方向图示意图。

图中：1-介质基板；2-金属地板；3-辐射贴片；4-开口环型缝隙；5-圆孔；6-U型支节；7-金属探针。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1、图2(a)～2(d)所示，一种简单紧凑的宽阻带滤波贴片天线，包括矩形的介质基板1和金属地板2、金属探针7，所述介质基板1与金属地板2上下间隔设置，所述介质基板1的上表面居中设置有金属的矩形辐射贴片3，所述辐射贴片3上设置有开口环型缝隙4；所述介质基板1的下表面设置金属的U型支节6，所述开口环型缝隙4与U型支节6的开口方向一致且均为关于所述介质基板1的y向中轴线的对称结构；所述金属探针7垂直设置在所述介质基板1、金属地板2之间，其一端与金属地板2上设置的圆孔5共圆心组成同轴馈电结构，另一端依次穿过所述金属U型支节6同所述y向中轴线的相交处、介质基板1后与所述辐射贴片3相连接，所述金属探针7与辐射贴片3的连接处位于所述开口环型缝隙4合围的范围内的所述介质基板1的y向的中轴线上并靠近开口环型缝隙的开口处。

所述宽阻带滤波贴片天线主要尺寸如下：

所述介质基板1的介电常数ε_r为2.2，厚度h₁＝1.575mm；所述金属地板2厚度为1mm，所述介质基板1、金属地板2为正方形且边长g＝44mm，所述介质基板1、金属地板2之间的间距h₂＝4mm。其中，λ为中心频率对应的自由空间波长，λg₀、λg₁、λg₂分别为中心频率、通带下/上边频零点频率对应的介质有效波长，本实施例中λ取值为55mm，λg₀取值为50.5mm，λg₁取值为59.98mm，λg₂取值为41.8mm。

所述辐射贴片3的非辐射边a＝14mm，辐射边b＝18.3mm；所述辐射贴片3上蚀刻的开口环型缝隙4为C形直角弯折缝隙，所述C形直角弯折缝隙的缝宽w₀＝0.5mm，平行所述y向中轴线的两相对边的长p₂＝7.2mm，间距p₁＝8mm,所述C形直角弯折缝隙开口处的两相对边的长p₃＝2mm，所述C形直角弯折缝隙与所述辐射贴片3背离所述开口环型缝隙4开口方向的边缘的距离p₀＝1.1mm。

所述金属U型支节6沿垂直所述y向中轴线方向的长度s₁＝6mm，沿平行所述y向中轴线方向的长度s₂＝6.3mm，宽度w₁＝1.1mm。

馈电用的所述金属探针7的直径为0.6mm；所述金属探针7与辐射贴片3的连接处与所述辐射贴片3背离所述开口环型缝隙4开口方向的边缘的距离d＝7.8mm。

所述金属地板2上蚀刻的圆孔5的直径为1.38mm。

如图3(a)～3(b)所示，本实施例的宽阻带滤波贴片天线在工作频段内具有较高的稳定增益，平均增益7.4dBi，最大增益7.9dBi，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，其中，上阻带可抑制至2.3个中心频率处。可以看出，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22％。

如图4(a)～4(b)所示，本实施例的宽阻带滤波贴片天线在通带内的方向图对称性基本良好。

本发明实施例提供的宽阻带滤波贴片天线由探针馈电，同轴探针在地板下方垂直穿过金属地板2和介质基板1连接辐射贴片3给天线进行馈电。该天线加载开口环型缝隙4、U型支节6来产生辐射零点和额外的通带内谐振点，以此实现具有滤波响应的宽带天线。

具体而言，本实施例的辐射贴片上蚀刻的开口环型缝隙在通带下边频引入辐射零点，从而形成下阻带，并具有较好的选择性；同时，金属探针上加载的金属U型支节在通带上边频引入一个辐射零点，在上阻带产生第二个辐射零点，形成了较宽的上阻带，并具有较好的选择性，实现滤波响应。由于没有额外的滤波器/谐振器或滤波电路，此设计可大大减少射频前端的体积，并且没有额外的插入损耗；另外，滤波结构的引入也会影响天线的阻抗，从而引入了通带内的谐振点，拓宽了天线带宽，可以在紧凑高增益的结构下实现滤波性能。该天线结构简单，减少了天线馈电部分的损耗，又因加工容易、成本低、体积小，更适合平面天线阵列设计，应用于大规模生产。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式。但本发明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披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种简单紧凑的宽阻带滤波贴片天线，包括矩形的介质基板(1)和金属地板(2)、金属探针(7)，其特征在于：所述介质基板(1)与金属地板(2)上下间隔设置，所述介质基板(1)的上表面居中设置有矩形金属辐射贴片(3)，所述辐射贴片(3)上设置有开口环型缝隙(4)；所述介质基板(1)的下表面设置金属U型支节(6)，所述开口环型缝隙(4)与U型支节(6)的开口方向一致且均为关于所述介质基板(1)的y向中轴线的对称结构；所述金属探针(7)垂直设置在所述介质基板(1)、金属地板(2)之间，其一端与金属地板(2)上设置的圆孔(5)共圆心组成同轴馈电结构，另一端依次穿过所述金属U型支节(6)同所述 y向中轴线的相交处、介质基板(1)后与所述辐射贴片(3)相连接，所述金属探针(7)与辐射贴片(3)的连接处位于所述开口环型缝隙(4)合围的范围内的所述介质基板(1) y向的中轴线上并靠近开口环型缝隙的开口处。

2.根据权利要求1所述的宽阻带滤波贴片天线，其特征在于，所述介质基板(1)的介电常数ε _r为2.2~4.4，厚度h ₁为0.01λ~0.1λ；金属地板(2)厚度为0.005λ~0.05λ，其中，λ为中心频率对应的自由空间波长。

3.根据权利要求1所述的宽阻带滤波贴片天线，其特征在于，所述介质基板(1)、金属地板(2)为矩形且边长g均为0.4λ~1λ，其中，λ为中心频率对应的自由空间波长。

4.根据权利要求2所述的宽阻带滤波贴片天线，其特征在于，所述介质基板(1)、金属地板(2)之间的间隔h ₂为0.02λ~0.2λ，其中，λ为中心频率对应的自由空间波长。

5.根据权利要求1所述的宽阻带滤波贴片天线，其特征在于，所述辐射贴片(3)的非辐射边a为0.2λg₀~0.7λg₀，辐射边b为0.3λg₀~0.7λg₀，其中，λg₀为天线中心频率对应的介质有效波长。

6.根据权利要求1所述的宽阻带滤波贴片天线，其特征在于，所述开口环型缝隙(4)为C形直角弯折缝隙，所述C形直角弯折缝隙的缝宽w ₀=0.005λg₁~0.01λg₁，平行所述y向中轴线的两相对边的长p ₂为0.05λg₁~0.3λg₁，间距p ₁为0.05λg₁~0.3λg₁, 所述C形直角弯折缝隙开口处的两相对边的长p ₃ =0.01λg₁~0.1λg₁，且C形直角弯折缝隙的总长度为0.4λg₁~0.6λg₁，其中，λg₁为天线通带下边频零点频率对应的介质有效波长。

7.根据权利要求6所述的宽阻带滤波贴片天线，其特征在于，所述C形直角弯折缝隙与所述辐射贴片(3)背离所述开口环型缝隙(4)开口方向的边缘的距离p ₀为0.01λg₁~0.1λg₁，其中，λg₁为天线通带下边频零点频率对应的介质有效波长。

8.根据权利要求1所述的宽阻带滤波贴片天线，其特征在于，所述金属U型支节(6) 沿垂直所述y向中轴线方向的长度s ₁为0.05λg₂~0.3λg₂，沿平行所述y向中轴线方向的长度s ₂为0.05λg₂~0.3λg₂，宽度w ₁为0.01λg₂~0.1λg₂，且金属U型支节的总长度为0.5λg₂，其中，λg₂为天线通带上边频对应的介质有效波长。

9.根据权利要求1所述的宽阻带滤波贴片天线，其特征在于，所述金属探针(7)的直径为0.001λ~0.01λ；所述圆孔(5)的直径为0.002λ~0.04λ，其中，λ为中心频率对应的自由空间波长。

10.根据权利要求1所述的宽阻带滤波贴片天线，其特征在于，所述金属探针(7)与辐射贴片(3)的连接处与所述辐射贴片(3)背离所述开口环型缝隙(4)开口方向的边缘的距离d为0.01λg₀~0.2λg₀，其中，λg₀为天线中心频率对应的介质有效波长。