CN109904609B - 宽带圆极化滤波天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及宽带圆极化滤波天线。传统的圆极化滤波微带天线一般将圆极化特性和滤波特性分开在两个结构上实现——在辐射贴片上实现圆极化特性，在馈电结构上实现滤波特性，此类天线增加了天线结构的复杂性。本发明利用在辐射贴片上直接开槽的方式，成功在辐射贴片上同时实现了圆极化特性和滤波特性，大大降低了结构复杂度。此外本发明在下层辐射贴片上加载寄生贴片的双层结构不仅展宽了S参数，还使得圆极化带宽得到了进一步扩展，使得该天线满足了5G通信的频带要求。

Description

宽带圆极化滤波天线

技术领域

本发明属于无线通信终端的天线技术领域，涉及一种宽带圆极化滤波天线，可作为小型化无线收发机射频前端的天线，广泛应用于移动通信、卫星通信以及雷达等无线通信系统中。

背景技术

随着现代无线通信系统的发展，射频前端结构正朝着多功能、小型化和集成化的方向发展。而天线和滤波器作为射频前端电路最重要的两个元器件，其尺寸和性能对整体系统的质量来说是至关重要的。传统设计方法将天线和滤波器分开设计，这使得这两个器件在级联时存在因不能完全匹配而产生损耗的问题，将天线和滤波器集成而构成的滤波天线不仅同时具备了辐射特性和滤波特性，还能大大减少电路的整体尺寸以及器件间不必要的能量损耗，因此滤波天线已成为国内外学者研究的热点。相对于线极化天线，圆极化天线最显著的优势在于其能够接收任意线极化波，以及其辐射的电磁波能够被任意线极化天线接收，这能大大提高发射天线和接收天线的安装灵活性。此外，圆极化天线还有旋向正交性、极化旋转性等优良性能，这些优势使得圆极化天线在无线通信中越来越受到重视。

工作频段窄是微带天线的软肋，为解决这个问题，研究者提出了很多方案，比如增加基板厚度、降低基板介电常数、加入负载匹配网络等。但这些方法都或多或少存在不可忽视的缺陷，如增加基板厚度能展宽带宽，但是厚度过大的介质基板容易激励起表面波，过强的表面波会抑制天线的辐射效率；而加入负载匹配网络则会让天线整体占据的空间变大。相比较之下，给微带天线加载寄生贴片是展宽带宽较为有效的方式。

综上所述，在寄生贴片上同时实现圆极化特性和滤波特性能大大提高圆极化天线的性能且降低射频前端系统复杂度，而在现有技术中较少涉及圆极化特性和滤波特性一体化设计。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种宽带圆极化滤波天线，它将圆极化特性和滤波特性进行一体化设计，在辐射贴片上实现了圆极化辐射和滤波功能。此外，这种结构还能有效展宽带宽，解决了微带天线工作频段窄的问题，满足了5G通信的频带要求。

实现本发明目的的技术解决方案：

一种宽带圆极化滤波天线，为周期性结构，其中每个单元为双层结构，具体包括中心对称的上层单元、下层单元；其中上层单元由第三层介质基板S3、寄生贴片P2构成，下层单元由第一层介质基板S1、第二层介质基板S2以及辐射贴片P1、金属贴片P3构成；其中第一、二、三介质基片的尺寸完全相同，第一、二介质基片介电常数相同且与第三介质基片的介电常数不同。

第一层介质基板S1与第二层介质基板S2接触设置，且两者间中心位置设有上述长方形金属贴片P3，并作为馈电结构的一部分；

第三层介质基板S3与第二层介质基板S2间设有一层空气层，该空气层高度小于第二层介质基板S2波长的四分之一。

第一层介质基板S1下表面设有与第一层介质基板同尺寸的接地面M1；

第二层介质基板S2上表面中心刻有上述方形辐射贴片P1，该贴片一组对角被切除。

第三层介质基板S3下表面中心刻有上述方形寄生贴片P2。该寄生贴片P2与上述正方形辐射贴片P1成45°角，且该寄生贴片P2一组对边上各开有一方槽C3、C4，同时在寄生贴片P2两对角线的两端位置分别均开有一个槽A，且槽A两侧均开有一等宽的槽B。

辐射贴片P1和寄生贴片P2的尺寸对应于5G频段(4.8GHz-5GHz)，改变辐射贴片P1和寄生贴片P2的尺寸可对S参数与轴比进行调节；

辐射贴片P1的两个切角C1、C2以及寄生贴片P2对边的两个方槽C3、C4均镜像对称且改变其尺寸可调节S参数与轴比。

寄生贴片P2上的槽A、B给天线附加了滤波特性，通过调节A、B的长度可对增益零点的位置进行调节，调节槽A、B之间的距离与槽宽可对S参数与轴比进行调节。

馈电结构整体呈倒“Z”形。接地面M1下为一同轴馈源，金属柱V1一端连接同轴馈源S，另一端贯穿接地面M1(与M1不接触)和第一层介质基板S1与金属贴片P3接触。金属柱V2贯穿第二层介质基板，一端与金属贴片P3接触，另一端与辐射贴片P1接触。金属柱V1、V2与金属贴片P接触位置中心对称，且其到对称中心的距离相等。

上述的所有金属贴片和介质基板均中心重合，该中心位于整个宽带圆极化滤波天线单元结构的中心线上。

金属贴片P3为馈电结构的一部分，起到优化S参数和增益曲线的带外抑制的作用。

工作过程：信号通过同轴馈源S，经金属柱V1、长方形金属贴片P3、金属柱V2输入到辐射贴片P1。辐射贴片P1经单点馈电产生两个相互正交、幅度相等的简并模。切角C1和C2使两个简并模发生分离，进而产生两个不同的谐振点，当工作频率选在这两个谐振点之间时，一个模的等效阻抗相角超前45°，另一个模的等效阻抗相角滞后45°，从而产生90°相位差，辐射贴片P1由此辐射出圆极化波。辐射贴片P1辐射出的能量通过耦合进入到圆极化寄生贴片P2中，寄生贴片P2的两个方槽C3、C4起到了与辐射贴片两个切角C1、C2相同的作用，即又产生了两个不同的谐振点。当工作频率选在上述四个谐振点之间时，轴比带宽就能得到显著展宽。此外，当有工作频带外的能量耦合到寄生贴片P2上时，P2上的12个槽使一部分能量相互抵消，从而产生了增益零点，即实现了滤波效果。寄生贴片P2可看成整个滤波天线的最后一阶谐振结构，从而展宽滤波天线通带内的带宽，此外通过调节12个槽的长度可以对增益零点进行调节，该圆极化滤波天线由此更为灵活。

本发明的另一个目的是提供上述宽带圆极化滤波天线，作为5G通信上的应用。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1)本发明提出的宽带圆极化滤波天线，采用倒“Z”形馈电结构，使阻抗匹配带宽得到了优化。

2)本发明提出的宽带圆极化滤波天线，将圆极化特性和滤波特性一体化设计在同一个贴片上，与传统的圆极化滤波天线相比，大大降低了结构复杂度。

3)本发明提出的宽带圆极化滤波天线，通过调节寄生贴片上长短槽的长度即可对低高频处的增益零点位置进行调节。

4)本发明在下层辐射贴片上加载寄生贴片的双层结构不仅展宽了S参数，还使得圆极化带宽得到了进一步扩展，使得该天线满足了5G通信的频带要求。

附图说明

图1是本发明宽带圆极化滤波天线的立体结构示意图；

图2是本发明宽带圆极化滤波天线的侧视图；

图3是本发明第一层介质基板和长方形金属贴片的示意图；

图4是本发明第二层介质基板和辐射贴片的示意图；

图5是本发明第三层介质基板和寄生贴片的示意图；

图6是本发明宽带圆极化滤波天线增益曲线仿真图，图中同时给出了与传统单层结构的圆极化天线增益的比较；

图7是本发明宽带圆极化滤波天线S参数与轴比带宽曲线的仿真图，图中同时给出了与传统单层结构的圆极化天线参数和轴比带宽的比较；

图8是本发明宽带圆极化滤波天线的增益零点随寄生贴片上的长短槽长度变化的比较图；

图9是本发明宽带圆极化滤波天线的辐射方向图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的分析。

结合图1和图2，宽带圆极化滤波天线，包括第一层厚度为1mm的Rogers5880介质基板S1、第二层厚度为1mm的Rogers5880介质基板S2、第三层厚度为1mm的Rogers4350介质基板S3、与介质基板同尺寸的接地面M1、边长为20mm的方形切角辐射贴片P1、边长为19mm的方形开槽寄生贴片P2、长宽分别为5mm和3.5mm的长方形金属贴片P3以及半径同为0.2mm的金属柱V1和V2。

第三层介质基板S3、第二层介质基板S2和第一层介质基板S1分别为该结构的上中下三层。第一层介质基板S1与第二层介质基板S2接触，第二层介质基板S2与第三层介质基板S3之间由一空气层隔开。方形切角辐射贴片P1位于第二层介质基板S2的上表面中心，方形开槽寄生贴片P2位于第三层介质基板S3的下表面中心。

由图2和图3所示，馈电结构由一长方形金属贴片P3和两根金属柱V1和V2组成。长方形金属贴片位于第一层介质基板和第二层介质基板之间。金属柱V1、V2分立于长方形金属贴片的两边，金属柱V1一头贯穿第一层介质基板S1以及接地面M1(V1与M1不接触，M1开有一半径为0.46mm的圆孔)与馈源相连，另一头与长方形金属贴片P3相连；金属柱V2一头与长方形金属贴片P3相连，另一头贯穿第二层介质基板S2与方形切角辐射贴片P1相连。

由图4所示，方形切角辐射贴片P1在XY平面的第一、三象限的两个角开有两个边长均为4.5mm的等边三角形切角C1和C2。

由图5所示，方形开槽寄生贴片P2相对方形切角辐射贴片P1旋转45°，方形开槽寄生贴片P2开有1对方槽以及4组长方形槽。边长均为2mm的方槽C3、C4开在方形开槽寄生贴片P2在二、四象限的对边上；方形开槽寄生贴片P2的四角有4组共计12个长方形槽，每组长方形槽呈“山”字形且最长的一个槽沿方形开槽寄生贴片P2的对角线方向。长槽的长度为11.5mm毫米，短槽的长度为8.5mm毫米，宽度均为0.3mm毫米，长槽与短槽之间的距离为1mm毫米。

三层介质基板S1、S2、S3，接地面M1，方形切角辐射贴片P1，方形开槽寄生贴片P2，长方形金属贴片P3的中心均位于同一条垂直线上。

其中h₁、h₂、h₃为第一、二、三层介质基板的厚度，h₀为第二层介质基板与第三层介质基板之间的距离。l_f和w_f分别为长方形金属贴片的长宽，L₁、C₁、C₂为方形切角辐射贴片的边长和两个切角，L₂、C₃、C₄为方形开槽寄生贴片的边长和两个方槽，ls₁、ls₂分别为方形开槽寄生贴片的长槽长度与短槽长度，w_s为长短槽的宽度，d为长短槽之间的距离。

图6、7、8、9为该宽带圆极化滤波天线的仿真结果。对比天线为传统单层结构的圆极化天线，即在单层介质基板上表面蚀刻一切除一组对角的方形辐射贴片(同P1的形状)，采用的馈电方式为最基本的同轴馈点。由图6可见，与传统加载了寄生贴片的圆极化天线相比，本文所述宽带圆极化滤波天线实现了滤波特性。工作频带内，滤波天线的最大增益为5.02GHz处的8.72dBi且该滤波天线在通带内增益很稳定，在4.7GHz～5.1GHz频段内增益差值不超过0.6dBi。此外，增益曲线在频带边缘下降较快且带外抑制明显，实现了较好的增益选择特性。由图7可见，与传统单层结构圆极化天线相比，本发明宽带圆极化滤波天线的|S₁₁|与轴比带宽都得到了显著提高，|S₁₁|从5.7％展宽到了16.4％，轴比带宽从1.4％展宽到了8.4％。图9展示了通过调节寄生贴片P2上长短槽的长度即可改变增益零点，其中长槽对应低频区增益零点，短槽对应高频区增益零点。图8为该宽带圆极化滤波天线方向图仿真曲线，由曲线可见该天线无论在E面还是H面都具有定向性良好，交叉极化电平低等优良辐射特性。

Claims (9)

1.宽带圆极化滤波天线，为周期性结构，其中每个单元为双层结构，具体包括中心对称的上层单元、下层单元以及馈电结构；其特征在于上层单元由第三层介质基板S3、方形寄生贴片P2构成，下层单元由第一层介质基板S1、第二层介质基板S2以及正方形辐射贴片P1、长方形金属贴片P3构成；

第一层介质基板S1与第二层介质基板S2接触设置，且两者间中心位置设有长方形金属贴片P3，并作为馈电结构的一部分；

第三层介质基板S3与第二层介质基板S2间设有一层空气层；

第一层介质基板S1下表面设有与第一层介质基板同尺寸的接地面M1；

第二层介质基板S2上表面中心刻有上述正方形辐射贴片P1，该正方形辐射贴片P1一组对角被切除；

第三层介质基板S3下表面中心刻有方形寄生贴片P2；该方形寄生贴片P2与正方形辐射贴片P1成45°角，且该方形寄生贴片P2一组对边上各开有一方槽C3、C4，同时在方形寄生贴片P2两对角线的两端位置分别均开有一个槽A，且槽A两侧均开有一等宽的槽B；

馈电结构包括金属柱V1、金属柱V2、长方形金属贴片P3；金属柱V1一端连接同轴馈源S，另一端贯穿接地面M1和第一层介质基板S1与长方形金属贴片P3接触，其中金属柱V1与M1不接触；金属柱V2贯穿第二层介质基板，一端与长方形金属贴片P3接触，另一端与正方形辐射贴片P1接触；金属柱V1、V2与长方形金属贴片P3接触位置中心对称，且其到对称中心的距离相等。

2.如权利要求1所述的宽带圆极化滤波天线，其特征在于空气层高度小于第二层介质基板S2波长的四分之一。

3.如权利要求1所述的宽带圆极化滤波天线，其特征在于正方形辐射贴片P1和方形寄生贴片P2的尺寸对应于5G频段，改变正方形辐射贴片P1和方形寄生贴片P2的尺寸可对S参数与轴比进行调节。

4.如权利要求1所述的宽带圆极化滤波天线，其特征在于正方形辐射贴片P1的两个切角C1、C2以及方形寄生贴片P2对边的两个方槽C3、C4均镜像对称且改变其尺寸可调节S参数与轴比。

5.如权利要求1所述的宽带圆极化滤波天线，其特征在于方形寄生贴片P2上的槽A、B产生滤波特性，通过调节A、B的长度可对增益零点的位置进行调节，调节槽A、B之间的距离与槽宽可对S参数与轴比进行调节。

6.如权利要求1所述的宽带圆极化滤波天线，其特征在于第一、二、三介质基片的尺寸完全相同，第一、二介质基片介电常数相同且与第三介质基片的介电常数不同。

7.如权利要求1所述的宽带圆极化滤波天线，其特征在于下层单元正方形辐射贴片P1与上层单元方形寄生贴片P2均产生圆极化特性。

8.如权利要求1所述的宽带圆极化滤波天线，其特征在于长方形金属贴片P3作为馈电结构的一部分，起到优化S参数和增益曲线的带外抑制的作用。

9.如权利要求1-8中任一所述的宽带圆极化滤波天线，作为5G通信上的应用。

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