CN110011048A - 一种无外加电路的宽带双极化滤波偶极子天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无外加电路的宽带双极化滤波偶极子天线，包括水平介质基板上印制两对相互垂直的辐射阵子臂，两对相互垂直的辐射阵子臂水平放置；两个垂直介质基板均设置巴伦对辐射阵子臂进行馈电，所述巴伦包括槽线、两个短路短截线及末端开路的Г形馈电线；所述两个垂直交叉的垂直介质基板设置在反射板上；所述短路短截线顶部靠近垂直介质基板中间位置通过向上延伸与设置在水平介质基板的辐射阵子臂连接，共同构成一个短路Г形谐振器；水平放置的辐射阵子臂和所述短路短截线的顶部的未向上延伸部分共同构成一个谐振槽。本发明实现了工作在1.7‑2.8GHz的宽带滤波天线，具有高隔离，弱交叉极化，良好的滤波和辐射特性等优良性能。
Description
技术领域
本发明涉及射频通信领域，具体涉及一种无外加电路的宽带双极化滤波偶极子天线。
背景技术
随着移动通信技术的快速发展，为了使现代通信系统与多种通信标准兼容或支持高速数据传输，对其带宽的要求比以往任何时候都要高。此外，由于双极化天线可以提高信道容量，减少多径衰落和极化失配，因此在通信系统中得到了广泛的应用。而对于子阵列工作在不同频段的多波段基站阵列，使用滤波天线可以有效地减小干扰。因此，对宽带双极化滤波天线的研究具有重要意义。近年来，研究人员针对滤波天线进行了大量研究——引入级联滤波电路、增加寄生单元、使用超表面、使用短路探针\金属通孔、在辐射体上蚀刻曲线槽、使用新型馈电结构、在特定的耦合区域馈电等。然而到目前为止，对于滤波天线的研究大多局限在单极化方向，并且不适于扩展运用到双极化天线中。
但依然存在少数针对双极化滤波天线的研究，例如在文献《C.-X.Mao,S.Gao,Y.Wang,F.Qin,and Q.-X.Chu,“Multimode resonator-fed dual-polarized antennaarray with enhanced bandwidth and selectivity,”IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.63,no.12,pp.5492–5499,Dec.2015.》中，提出了一种采用谐振器滤波器作为贴片的馈电网络的双极化滤波天线。在文献《W.Duan,X.Y.Zhang,Y.-M.Pan,J.-X.Xu,and Q.Xue,“Dual-polarized filtering antenna with high selectivity and low crosspolarization,”IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.64,no.10,pp.4188–4196,Oct.2016.》中，通过对辐射体和馈电结构的简单修改，实现了无需增加额外电路的双极化滤波天线。又如在文献《Y.M.Pan,P.F.Hu,K.W.Leung,and X.Y.Zhang,“Single-/Dual-Polarized Filtering Dielectric Resonator Antennas”,IEEETrans.AntennasPropag.,vol.66,no.9,pp.4474–4484,Sep.2018.》中，采用混合微带线/共形条对介质谐振器天线进行反馈实现了滤波响应，并增加金属柱提高了端口隔离度。然而，这些双极化滤波天线都具有工作带宽非常窄的问题。
由于偶极子天线的特性，偶极子天线通常被用来解决带宽窄的问题——在偶极子旁边加入弓形贴片、矩形环、弯曲带状线或折叠式金属板等寄生元件，可实现50％左右的宽带宽，甚至可以达到92％，然而上述天线都不具有滤波性能。
在文献《W.J.Yang and Y.M.Pan,“A Wideband Dual-Polarized Dipole AntennaWith Folded Metallic Plates,IEEE Antennas Wireless Propag.Lett.,vol.17,no.10,pp.1797–1801,Oct.2018.》中所提出的天线同时具有宽带宽和滤波性能，但它使用了两个寄生环和八个开路短截线，结构十分复杂。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种无外加电路的宽带双极化滤波偶极子天线。
本发明克服传统滤波天线设计方法只能用于单极化天线或带宽窄、电路结构复杂的缺陷，或者传统双极化天线不具有滤波特性等问题。
本发明采用如下技术方案：
一种无外加电路的宽带双极化滤波偶极子天线，包括
水平介质基板：所述水平介质基板上印制两对相互垂直的辐射阵子臂，所述两对相互垂直的辐射阵子臂水平放置；
两个垂直交叉的垂直介质基板：两个垂直介质基板的结构相同，均设置巴伦对辐射阵子臂进行馈电，所述巴伦包括槽线、两个短路短截线及末端开路的Г形馈电线；
反射板：所述两个垂直交叉的垂直介质基板设置在反射板上；
所述短路短截线顶部靠近垂直介质基板中间位置通过向上延伸与设置在水平介质基板的辐射阵子臂连接，共同构成一个短路Г形谐振器，产生低频辐射零点；水平放置的辐射阵子臂和所述短路短截线的顶部的未向上延伸部分共同构成一个谐振槽。
所述宽带双极化滤波偶极子天线的增益曲线上有三个辐射零点：低频辐射零点，第一高频辐射零点及第二高频辐射零点。
所述两个短路短截线设置在垂直介质基板的背面，结构尺寸相同，所述槽线设置在两个短路短截线之间，末端开路的Г形馈电线设置在垂直介质基板的正面。
所述末端开路的Г形馈电线由两条竖直微带线及一条水平微带线构成，水平微带线关于槽线对称，且与槽线垂直交叉，交叉点为等效馈电点，两条竖直微带线位于水平微带线的两端。
所述谐振槽的宽度为顶部向上延伸部分的高度。
所述短路Г形谐振器总长为增益曲线上低频辐射零点的等效波长的1/4。
两对辐射阵子臂的交叉方向与两个垂直介质基板的交叉方向相同。
本发明水平放置的辐射阵子臂和所述短路短截线的顶部的未向上延伸部分共同构成一个谐振槽，谐振槽谐振时在工作频带高频处产生第一高频辐射抑制零点，所述谐振槽的长度和所述短路短截线的顶部的未向上延伸部分的长度一样，约为第一高频辐射抑制零点的等效1/4波长。
所述等效馈电点到所述末端开路的Г形馈电线末端的长度为本天线增益曲线的第二高频辐射零点对应等效波长的1/2，减少等效馈电点到所述Г形馈电线末端的长度使第二辐射零点向高频移动。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过巴伦和阵子臂共同构成的谐振器，可以在通带下边沿产生一个低频辐射抑制零点，实现很好的带外抑制效果，使通带边沿有陡峭的滚降；
(2)本发明通过控制宽巴伦与阵子臂之间的间隙长度，可以在通带上边沿处产生一个辐射抑制零点，在高频处实现良好的带外抑制；改变宽巴伦顶部和辐射阵子臂之间间隙的长度可以改变零点的位置；
(3)通过控制开路短截线长度或者馈电点的位置，可以在通带高频处产生另一个辐射抑制零点，进一步增加高频处的带外抑制；改变开路短截线长度可以改变零点的位置；
(4)本发明各个零点位置独立可控，易于根据具体的需求进行设计；
(5)本发明具有宽频带，高增益，高隔离，弱交叉极化，良好的频率选择性，结构简单的特点，且具有双极化的辐射特性；
(6)本发明不增加外部电路，设计简单，损耗小及效率高。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的侧视图；
图3(a)是本发明实施例一个巴伦结构示意图；
图3(b)是本发明实施例另一个巴伦结构示意图；
图4是本发明的低频通带边沿增益零点与辐射臂长度关系的增益-频率仿真结果图；
图5是本发明低频通带边沿增益零点与巴伦高度关系的增益-频率仿真结果图。
图6是本发明通带高频处增益零点与巴伦宽度关系的增益-频率仿真结果图。
图7是本发明通带更高频处增益零点与开路短截线长度关系的增益-频率仿真结果图。
图8是本发明S参数仿真和测试结果图。
图9是本发明的仿真和测试增益图。
图10是本发明在1.7GHz的E面测试和仿真的辐射方向图。
图11是本发明在1.7GHz的H面测试和仿真的辐射方向图。
图12是本发明在2.2GHz的E面测试和仿真的辐射方向图。
图13是本发明在2.2GHz的H面测试和仿真的辐射方向图。
图14是本发明在2.8GHz的E面测试和仿真的辐射方向图。
图15是本发明在2.8GHz的H面测试和仿真的辐射方向图。
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。
实施例
如图1、图2及图3(a)、图3(b)所示，一种无外加电路的宽带双极化滤波偶极子天线，包括：
水平介质基板4：所述水平介质基板上印制两对相互垂直的辐射阵子臂1，所述两对相互垂直的辐射阵子臂水平放置，其中一对辐射阵子臂位于水平介质基板的对角线上，形成+45°极化偶极子，另一对辐射阵子臂位于水平介质基板的另一条对角线上，形成-45°极化偶极子。偶极子设计为多边形形状可以更好达到阻抗匹配，本实施例中为四边形。
两个垂直交叉的介质基板：两个垂直介质基板11位于水平介质基板的下方，均设置巴伦2对辐射阵子臂进行馈电，如图4所示，所述巴伦包括槽线10、两个短路短截线6及末端开路的Г形馈电线。
所述两个垂直交叉的垂直介质基板设置在反射板3上。
所述两个短路短截线位于垂直介质基板纵向中线的两侧，两个短路短截线靠近垂直介质基板纵向中线一侧顶部，且靠近垂直介质基板的中间位置通过向上延伸与设置在水平介质基板的辐射阵子臂连接，共同构成一个短路Г形谐振器，产生低频辐射零点；本实施例中的向上延伸部分为一个矩形，该矩形关于槽线对称。所述水平放置的辐射阵子臂和所述短路短截线的顶部的未向上延伸的部分共同构成一个谐振槽5，所述谐振槽5的宽度为顶部向上延伸部分的高度，谐振槽谐振时在工作频带高频处产生第一高频辐射抑制零点，所述谐振槽的长度和所述短路短截线的顶部的未向上延伸部分的长度一样，为第一高频辐射抑制零点的等效1/4波长。
所述两个短路短截线设置在垂直介质基板的背面，以垂直介质基板竖直中线对称，两个短路短截线位于竖直中线的两侧，结构尺寸相同，所述槽线设置在两个短路短截线之间，末端开路的Г形馈电线设置在垂直介质基板的正面。
所述末端开路的Г形馈电线由两条竖直微带线7和9及一条水平微带线8构成，水平微带线关于槽线对称，且与槽线垂直交叉，交叉点12为等效馈电点，两条竖直微带线位于水平微带线的两端，所述等效馈电点到所述Г形馈电线末端(竖直微带线9的末端)的长度为本天线增益曲线的第二高频辐射零点对应等效波长的1/2，减少等效馈电点到所述Г形馈电线末端的长度使第二辐射零点向高频移动。
本发明天线的增益曲线上有3个辐射零点，低频辐射零点，第一高频辐射零点，第二高频辐射零点。
所述两个垂直介质基板分别延伸出一个矩形部分与端口1及端口2连接
所述天线单元工作于多频移动通信基站天线中的2G/3G/4G频段(1.7-2.8GHz)。
当处于高频第二辐射零点时，馈电点处电场约为零，偶极子不能被激励，所以产生一个辐射零点，减小开路短截线长度可以使零点向高频方向移动。本发明天线可以用于单频、双频或多频双极化天线。
如图4所示，为本实施例提供的宽带双极化滤波偶极子天线的低频通带边沿增益零点与辐射臂长度关系的增益-频率仿真结果图。改变辐射臂1的长度可以改变低频通带边沿增益零点的位置。
如图5所示，为本实施例提供的宽带双极化滤波偶极子天线的低频通带边沿增益零点与巴伦高度关系的增益-频率仿真结果图。改变巴伦高度可以改变低频通带边沿增益零点的位置。
如图6所示，为本实施例提供的宽带双极化滤波偶极子天线的通带高频处增益零点与宽巴伦顶部和辐射阵子臂之间间隙的长度关系的增益-频率仿真结果图。改变巴伦宽度可以改变通带高频处增益零点的位置。
如图7所示，为本实施例提供的宽带双极化滤波偶极子天线的通带更高频处增益零点与开路短截线长度关系的增益-频率仿真结果图。改变开路短截线长度可以改变通带更高频处增益零点的位置。
如图8所示，为本实施例提供的宽带双极化滤波偶极子天线的S参数仿真和测试结果图。可以看出，仿真结果和测试结果有很好的一致性。
如图9所示，为本实施例提供的宽带双极化滤波偶极子天线的仿真和测试增益，可以观察到端口1和端口2的带内平均约为8dBi增益由于馈电网络的损耗、加工误差和测试环境的影响，测试增益要略小于仿真增益。
如图10至图15所示，为本实施例提供的宽带双极化滤波偶极子天线分别在1.7GHz、2.2GHz和2.8GHz的E面和H面测试和仿真的辐射方向图。可以看出，仿真结果和测试结果有很好的一致性。
综上所述，可应用于各类无线通信系统的接收和发射设备中，由于本发明的滤波特性，特别适用于在开阔复杂的多频段多制式通信场景中，工作1.7-2.8GHz的基站天线；同时受益于滤波特性与辐射特性的集成，本发明也适用于无线移动通信系统设备的一体化和集成化。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种无外加电路的宽带双极化滤波偶极子天线，其特征在于，包括
水平介质基板：所述水平介质基板上印制两对相互垂直的辐射阵子臂，所述两对相互垂直的辐射阵子臂水平放置；
两个垂直交叉的垂直介质基板：两个垂直介质基板的结构相同，均设置巴伦对辐射阵子臂进行馈电，所述巴伦包括槽线、两个短路短截线及末端开路的Г形馈电线；
反射板：所述两个垂直交叉的垂直介质基板设置在反射板上；
所述末端开路的Г形馈电线由两条竖直微带线及一条水平微带线构成，水平微带线关于槽线对称，且与槽线垂直交叉，交叉点为等效馈电点，两条竖直微带线位于水平微带线的两端；
所述两个短路短截线顶部靠近垂直介质基板中间位置通过向上延伸与设置在水平介质基板的辐射阵子臂连接，共同构成一个短路Г形谐振器。
2.根据权利要求1所述的宽带双极化滤波偶极子天线，其特征在于，所述宽带双极化滤波偶极子天线的增益曲线上有三个辐射零点：低频辐射零点，第一高频辐射零点及第二高频辐射零点。
3.根据权利要求1所述的宽带双极化滤波偶极子天线，其特征在于，所述两个短路短截线设置在垂直介质基板的背面，结构尺寸相同，所述槽线设置在两个短路短截线之间，末端开路的Г形馈电线设置在垂直介质基板的正面。
4.根据权利要求1所述的宽带双极化滤波偶极子天线，其特征在于，水平放置的辐射阵子臂和所述短路短截线的顶部的未向上延伸部分共同构成一个谐振槽,所述谐振槽的宽度为顶部向上延伸部分的高度。
5.根据权利要求1所述的宽带双极化滤波偶极子天线，其特征在于，所述短路Г形谐振器产生低频辐射零点，其总长为低频辐射零点的等效波长的1/4。
6.根据权利要求1所述的宽带双极化滤波偶极子天线，其特征在于，两对辐射阵子臂的交叉方向与两个垂直介质基板的交叉方向相同。
7.根据权利要求4所述的宽带双极化滤波偶极子天线，其特征在于，所述谐振槽谐振时在工作频带高频处产生第一高频辐射抑制零点，所述谐振槽的长度和所述短路短截线的顶部的未向上延伸部分的长度相同，为第一高频辐射抑制零点的等效1/4波长。
8.根据权利要求1所述的宽带双极化滤波偶极子天线，其特征在于，所述等效馈电点到所述末端开路的Г形馈电线末端的长度为本天线增益曲线的第二高频辐射零点对应等效波长的1/2，减少等效馈电点到所述Г形馈电线末端的长度使第二高频辐射零点向高频移动。
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