CN110034395A - 一种基于混合馈电的宽带滤波天线及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于混合馈电的宽带滤波天线及其制造方法，所述宽带滤波天线包括第一介质基板和第二介质基板，所述第一介质基板的上表面设有寄生贴片，所述第二介质基板的上表面设有反射地板，所述第二介质基板的下表面设有微带结构；所述第一介质基板与第二介质基板机械连接，所述第一介质基板的下表面与第二介质基板的上表面相对；所述寄生贴片、反射地板与微带结构之间电磁连接。本发明通过寄生贴片与微带结构之间形成的馈电作用，本发明宽带滤波天线的结构具有滤波特性和辐射特性，实现具有滤波功能的天线，这种结构的带宽较宽、增益较高，而且结构简单紧凑，实现天线的小型化。本发明广泛应用于无线通信技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其是一种基于混合馈电的宽带滤波天线及其制造方法。
背景技术
天线和滤波器是射频前端电路中重要的无源器件。发射天线将传输线上的电信号转化成电磁波并将其发射到自由空间中，接收天线则接收自由空间中的入射电磁波，然后将其转化成电信号在传输线上传播。滤波器可以滤除不需要的信号，在振荡、放大、倍频和混频电路得到广泛应用。
天线和滤波器可以集成设计成滤波天线，使得天线具有辐射和滤波功能，可以有效减小三维封装尺寸和面积，进一步实现无线通信系统的小型化。将天线和滤波器作为整体器件设计成滤波天线，滤波天线不仅具有辐射、阻抗匹配、滤波和平衡转换功能，而且可以减小电路尺寸使系统结构更加紧凑，具有重要的实用价值，而宽带外抑制效果可使天线在复杂电磁环境中的工作性能更加稳定。
当前，现有的滤波天线设计思路主要包括两种，一种是在天线中级联滤波结构，使天线具有滤波特性。另一种是将滤波器和天线进行综合设计，从经典带通滤波器的综合理论出发，将天线等效成串联或并联的电路，在起辐射作用的同时，也充当滤波器最后一级谐振器和负载。但是，上述现有技术均不可避免的增大了天线的几何尺寸，使得天线的复杂程度增加，不便于加工和使用同时也很容易增大损耗，造成天线的增益不高或者不稳定，并且带宽较窄，应用有限。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于混合馈电的宽带滤波天线及其制造方法。
一方面，本发明实施例包括一种基于混合馈电的宽带滤波天线，包括第一介质基板和第二介质基板，所述第一介质基板的上表面设有寄生贴片，所述第二介质基板的上表面设有反射地板，所述第二介质基板的下表面设有微带结构；所述第一介质基板与第二介质基板机械连接，所述第一介质基板的下表面与第二介质基板的上表面相对；所述寄生贴片、反射地板与微带结构之间电磁连接。
进一步地，所述寄生贴片通过微带工艺固定在第一介质基板上，所述反射地板和微带结构通过微带工艺固定在第二介质基板上。
进一步地，所述第一介质基板采用F4B材料制造，所述第一介质基板的介电常数为2.2，所述第二介质基板采用Rogers4003C材料制造，所述第二介质基板的介电常数为3.55。
进一步地，所述第一介质基板和第二介质基板上均开有多个尺寸和位置对应的第一通孔，所述第一通孔用于安装紧固件，所述紧固件用于对第一介质基板和第二介质基板进行连接和固定。
进一步地，所述第一介质基板和第二介质基板上均开有多个尺寸和位置对应的第二通孔，所述第二通孔用于安装短路钉，使得所述短路钉连接寄生贴片和微带结构从而实现耦合馈电。
进一步地，所述短路钉不与第二介质基板或反射地板接触。
进一步地，所述寄生贴片包括一片主辐射贴片和两片耦合贴片，两所述耦合贴片对称地设置在主辐射贴片两边。
进一步地，所述反射地板全面地覆盖第二介质基板的上表面，所述反射地板内部开有一条矩形槽和一个圆孔。
进一步地，所述微带结构包括微带传输馈电线和两段开路短截线，两段所述开路短截线对称地设置在微带传输馈电线两边并与微带传输馈电线连接，两段所述开路短截线均与微带传输馈电线垂直，所述微带传输馈电线与所述反射地板内部的矩形槽空间垂直。
另一方面，本发明实施例还包括一种基于混合馈电的宽带滤波天线制造方法，包括以下步骤：
在第一介质基板的上表面设置寄生贴片；
在第二介质基板的上表面设置反射地板；
在第二介质基板的下表面设置微带结构；
对第一介质基板与第二介质基板进行机械连接，使得第一介质基板的下表面与第二介质基板的上表面相对；
对寄生贴片、反射地板与微带结构之间进行电磁连接。
本发明的有益效果是：通过寄生贴片与微带结构之间形成的馈电作用，本发明宽带滤波天线的结构具有滤波特性和辐射特性，实现具有滤波功能的天线，这种结构的带宽较宽、增益较高，而且结构简单紧凑，实现天线的小型化。
附图说明
图1为本发明实施例的各层结构示意图；
图2为本发明实施例第一介质基板上表面以及寄生贴片的结构示意图；
图3为本发明实施例第二介质基板上表面以及反射地板的结构示意图；
图4为本发明实施例第二介质基板下表面以及微带结构的结构示意图；
图5为本发明实施例的回波损耗-工作频率仿真结果图；
图6为本发明实施例在2.31GHz,phi＝0deg的辐射方向图；
图7为本发明实施例在2.31GHz,phi＝90deg的辐射方向图；
图8为本发明实施例在2.38GHz,phi＝0deg的辐射方向图；
图9为本发明实施例在2.38GHz,phi＝90deg的辐射方向图；
图10为本发明实施例在2.49GHz,phi＝0deg的辐射方向图；
图11为本发明实施例在2.49GHz,phi＝90deg的辐射方向图；
图12为本发明实施例的增益-工作频率仿真结果图；
图13为本发明实施例的效率-工作频率仿真结果图。
具体实施方式
本实施例中一种基于混合馈电的宽带滤波天线，其结构如图1所示，包括第一介质基板和第二介质基板，所述第一介质基板的上表面设有寄生贴片，所述第二介质基板的上表面设有反射地板，所述第二介质基板的下表面设有微带结构。本实施例中，所述第一介质基板和第二介质基板均为长方形薄板，第一介质基板和第二介质基板的“上表面”和“下表面”仅用于区分第一介质基板和第二介质基板的两个表面，并不表示本发明宽带滤波天线工作时“上表面”必须向上或“下表面”必须向下。参照图1，当所述第一介质基板的上表面向上时，本实施例宽带滤波天线形成了由上至下依次为寄生贴片、第一介质基板、反射地板、第二介质基板和微带结构的结构。
本实施例中所述第一介质基板与第二介质基板机械连接，所述机械连接是指第一介质基板与第二介质基板直接接触或者通过机械器件接触，使得第一介质基板与第二介质基板被固定为一个不能发生相对位移的整体。所述寄生贴片、反射地板与微带结构之间电磁连接，所述电磁连接包括指寄生贴片、反射地板与微带结构之间直接机械接触形成导电、导磁的情况，也包括寄生贴片、反射地板与微带结构之间没有直接机械接触，但是相互之间影响电磁场分布，形成馈电作用等的情况。
本实施例中，所述反射地板采用金属材料制造。本实施例中，寄生贴片通过微带工艺固定在第一介质基板上，所述反射地板和微带结构通过微带工艺固定在第二介质基板上。第一介质基板采用厚度为3mm、介电常数为2.2的F4B材料制造，所述第二介质基板采用厚度为 0.813mm、介电常数为3.55的Rogers4003C材料制造。
寄生贴片与微带结构之间形成馈电作用，它们所形成的图1所示的结构具有滤波特性和辐射特性，实现具有滤波功能的天线，这种结构的带宽较宽、增益较高，而且结构简单紧凑，实现天线的小型化。
进一步作为优选的实施方式，参照图2、图3和图4，所述第一介质基板和第二介质基板上均开有6个尺寸和位置对应的第一通孔。当第一介质基板和第二介质基板重叠在一起时，可以在这些第一通孔中安装塑料螺丝钉等紧固件，塑料螺丝钉对第一介质基板和第二介质基板进行连接和固定，使得第一介质基板和第二介质基板形成一个不会发生内部相对运动的整体。
进一步作为优选的实施方式，参照图2、图3和图4，所述第一介质基板和第二介质基板上均开有多个尺寸和位置对应的第二通孔，所述第二通孔用于安装短路钉(短路针)，使得所述短路钉连接寄生贴片和微带结构从而实现耦合馈电。优选地，第二通孔可以进行金属化处理。优选地，参照图4，当第二通孔穿过微带结构时，在微带结构相应位置设置一个圆形金属贴片，该圆形金属贴片不影响本发明宽带滤波天线的整体性能，且可以避免短路钉与第二介质基板接触造成误差干扰。同时，通过短路钉也不与反射地板接触。
本实施例中，所述寄生贴片包是由一片主辐射贴片和两片耦合贴片构成的。参照图2，主辐射贴片和耦合贴片均为矩形，它们的长度相同、宽度不同，而且主辐射贴片和两片耦合贴片之间均没有形成机械接触。两所述耦合贴片对称地设置在主辐射贴片两边，即主辐射贴片的对称轴与耦合贴片的对称轴平行，且两片耦合贴片与主辐射贴片之间的距离相等。
如图2所示的由一片主辐射贴片和两片耦合贴片构成的寄生贴片的原理为：两片耦合贴片可以为主辐射贴片带来新的谐振频点，从而增加寄生贴片的阻抗带宽。
本实施例中，所述反射地板全面地覆盖第二介质基板的上表面，所述反射地板内部开有一条矩形槽和圆孔。参照图3，反射地板采用金属材料制造，即金属材料完整地覆盖了第二介质基板的整个上表面，从而构成反射地板。由于第二介质基板被第一通孔和第二通孔穿透，因此在第二介质基板上的第一通孔和第二通孔对应位置也不存在相应的金属材料。本实施例中，还通过在相应位置挖去一定的金属材料的方式，在反射地板内部开有一条矩形槽，即在矩形槽所在位置上不存在金属材料或只有相对第二介质基板上表面其他位置上较少的金属材料。当第二介质基板为矩形时，所述矩形槽的一条对称轴与第二介质基板的一条边平行。
本实施例中，参照图4，所述微带结构包括一条阻抗为50欧姆的微带传输馈电线和两段开路短截线，两段所述开路短截线对称地设置在微带传输馈电线两边并与微带传输馈电线连接，两段所述开路短截线均与微带传输馈电线垂直，所述微带传输馈电线与所述反射地板内部的矩形槽空间垂直。本实施例中，微带传输馈电线和两段开路短截线均为矩形，微带传输馈电线的对称轴与矩形第二介质基板的一条边垂直，且微带传输馈电线延伸至第二介质基板的边缘。微带传输馈电线与所述反射地板内部的矩形槽空间垂直，指的是微带传输馈电线与所述反射地板内部的矩形槽不在同一个平面上，但是将微带传输馈电线与矩形槽投影到同一个平面上之后，微带传输馈电线的对称轴与矩形槽的对称轴垂直。
当图2、图3和图4所示的第一介质基板和第二介质基板按照图1所示的结构通过塑料螺丝钉装配在一起，并且将短路钉插入第二通孔使得短路钉连接主辐射贴片和微带传输馈电线时，寄生贴片与微带结构之间形成过孔加载和孔径耦合并存的混合馈电作用。其具体为：短路钉通过金属化的第二通孔将主辐射贴片和微带传输馈电线连接在一起，实现主辐射贴片和微带传输馈电线之间的过孔加载形式的馈电作用，同时，两片耦合贴片可以增加阻抗带宽；在反射地板上的矩形槽的作用下，微带传输馈电线与主辐射贴片形成孔径耦合形式的馈电作用，同时，微带传输馈电线两端的开路短截线引入辐射零点，由于开路短截线与微带传输馈电线垂直，开路短截线与设置在主辐射贴片两侧的耦合贴片耦合从而实现滤波效果。
通过图1、图2、图3和图4所示的结构，本发明宽带滤波天线具有以下技术效果：
(1)集成滤波特性和辐射特性，天线自身有滤波性能，通带边缘陡峭，边带抑制明显，具有良好的频率选择特性，无需外加复杂的滤波损耗电路，克服了采用外加滤波电路设计滤波天线时损耗大和体积大的缺点；
(2)结构简单：通过孔径耦合和过孔加载两种馈电方式结合于一个输入端口，无需考虑多端口输入所带来的隔离度问题，减小了天线设计复杂度，更有实用价值。通过在微带传输线上加载开路短截线来实现滤波，简单有效，结构紧凑，实现了小型化，且容易加工；
(3)带宽较宽，增益较高：同时采用过孔加载和孔径耦合等两种馈电方式，引入多个谐振频点，解决了传统天线频带窄的问题，并且实现了较高增益，带内增益平坦，抑制邻频干扰，可提高收发信机的性能。
本发明的技术效果主要是由本发明的结构带来的，同时也与以下参数的具体取值有关：第二介质基板的长度L1，第一介质基板的长度L2，微带传输馈电线的长度Lm，主辐射贴片和耦合贴片的长度Lp，矩形槽的长度Ls，第一介质基板和第二介质基板的宽度W1，微带传输馈电线的宽度Wm，矩形槽的宽度Ws，耦合贴片的宽度Wp1，主辐射贴片的宽度Wp2，第一介质基板的厚度H1，第二介质基板的厚度H2，第二通孔的半径Rgap，短路针的半径Rcap，第一通孔的半径R1，圆形金属贴片的半径R2，主辐射贴片与耦合贴片之间的距离d，开路短截线的长度Sx，开路短截线的宽度Sy，当第一通孔按照图2所示的形式分布在第一介质基板上时主辐射贴片的一条对称轴与相邻最近的第一通孔的圆心之间的距离Cx，主辐射贴片的另一条对称轴与相邻最近的第一通孔的圆心之间的距离Cy，开路短截线与第二介质基板上相平行的一条边之间的距离Ds1，矩形槽与第二介质基板上相平行的一条边之间的距离Ds2。上述参数均已在图2、图3和图4中标示。
本实施例中，按照图1、图2、图3和图4所示的结构和表1所示的参数制造宽带滤波天线，并对宽带滤波天线的性能进行仿真和实测，仿真和测试环境为SATIMO。
表1
| 参数 | L<sub>1</sub> | L<sub>2</sub> | L<sub>m</sub> | L<sub>p</sub> | L<sub>s</sub> | W<sub>1</sub> | W<sub>m</sub> | W<sub>s</sub> | W<sub>p1</sub> |
| 值(mm) | 85 | 78 | 56.5 | 40 | 2.5 | 85 | 1.88 | 17 | 11 |
| 参数 | W<sub>p2</sub> | H<sub>1</sub> | H<sub>2</sub> | R<sub>gap</sub> | R<sub>cap</sub> | R<sub>1</sub> | R<sub>2</sub> | d | S<sub>x</sub> |
| 值(mm) | 12 | 3 | 0.813 | 1.6 | 1.3 | 1.6 | 1.7 | 10 | 18 |
| 参数 | S<sub>y</sub> | C<sub>x</sub> | C<sub>y</sub> | D<sub>s1</sub> | D<sub>s2</sub> | ||||
| 值(mm) | 2.5 | 10 | 8 | 33.5 | 30.5 |
仿真和实测的结果如图5-13所示。图5-13中，虚线表示仿真结果，实线表示实测结果。
图5是宽带滤波天线的回波损耗-工作频率仿真结果图。从图中可以清楚地看出，测得的 10dB阻抗带宽(|S11|<-10dB)为8.96％(2.29-2.51GHz)，在HFSS软件上仿真的阻抗带宽为8.64％(2.3-2.5GHz)。可见测量结果与仿真结果吻合良好，从测量的反射系数性能可以观察到存在三个谐振频率点，其中一个谐振频率点是通过加载过孔的馈电方案产生，另外两个谐振频率点则是由孔径耦合馈电与其相邻的贴片耦合产生。
参照图6-11，图6为本实施例宽带滤波天线在2.31GHz，phi＝0deg的辐射方向图，图7 为本实施例宽带滤波天线在频率为2.31GHz，phi＝90deg的辐射方向图，图8为本实施例宽带滤波天线在频率为2.38GHz，phi＝0deg的辐射方向图，图9为本实施例宽带滤波天线在频率为2.38GHz，phi＝90deg的辐射方向图，图10为本实施例宽带滤波天线在频率为2.49GHz， phi＝0deg的辐射方向图，图11为本实施例宽带滤波天线在频率为2.49GHz，phi＝90deg的辐射方向图。从图6至图11可推断出测量的辐射方向图大致与仿真的辐射方向图相似。实测的辐射方向图在整个带宽上是稳定的，在3个谐振频点处的交叉极化比主极化电平至少低15dB。图6至图11中，测量结果和仿真结果之间的微小差异主要是由于制造误差和与测量过程中所用到的SMA接头连接存在的不可避免的损耗，在仿真中未考虑到。此外，H平面即phi＝90deg 面，实测交叉极化数值比主极化数值低至少小15dB，但与仿真交叉极化数值相比较大，其原因主要是第一介质基板和第二介质基板是由六个塑料螺丝钉拟合而成，并且介质基板采用较硬的材料不易因挤压而变形。空气可能存在于第一介质基板和第二介质基板之间的间隙中，这可能导致严一定的测量误差。
参照图12所示，图12为本实施例宽带滤波天线的增益-工作频率仿真结果图。带内的平均增益约为6.8dBi，在2.28和2.55GHz处产生两个辐射零点，且这两个辐射零点可以独立调整。在2-2.28GHz的频率范围内，带外抑制电平超过12dB，在2.55-3GHz的频率范围内，带宽抑制电平超过15dB。通带边缘陡峭，边带抑制明显，具有良好的频率选择性。图12中，两个辐射零点在增益图的实测测量曲线中并不明显，这种现象的主要原因是在SATIMO的参数设置中，扫描点设置不足，辐射的频率点没有被扫描到，但实测增益曲线整体趋势与仿真的增益曲线走向大致相同。
参照图13所示，图13为本实施例宽带滤波天线的效率-频率仿真结果图。带内平均效率为80％左右，测量仍存在一定误差。
本实施例还包括一种基于混合馈电的宽带滤波天线制造方法，包括以下步骤：
S1.在第一介质基板的上表面设置寄生贴片；
S2.在第二介质基板的上表面设置反射地板；
S3.在第二介质基板的下表面设置微带结构；
S4.对第一介质基板与第二介质基板进行机械连接，使得第一介质基板的下表面与第二介质基板的上表面相对；
S5.对寄生贴片、反射地板与微带结构之间进行电磁连接。
第一介质基板、第二介质基板、寄生贴片、反射地板与微带结构的结构关系参照本发明产品实施例。本发明方法实施例可以取得与产品实施例相同的技术效果。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但对本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种基于混合馈电的宽带滤波天线，其特征在于，包括第一介质基板和第二介质基板，所述第一介质基板的上表面设有寄生贴片，所述第二介质基板的上表面设有反射地板，所述第二介质基板的下表面设有微带结构；所述第一介质基板与第二介质基板机械连接，所述第一介质基板的下表面与第二介质基板的上表面相对；所述寄生贴片、反射地板与微带结构之间电磁连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于混合馈电的宽带滤波天线，其特征在于，所述寄生贴片通过微带工艺固定在第一介质基板上，所述反射地板和微带结构通过微带工艺固定在第二介质基板上。
3.根据权利要求1所述的一种基于混合馈电的宽带滤波天线，其特征在于，所述第一介质基板采用F4B材料制造，所述第一介质基板的介电常数为2.2，所述第二介质基板采用Rogers4003C材料制造，所述第二介质基板的介电常数为3.55。
4.根据权利要求1所述的一种基于混合馈电的宽带滤波天线，其特征在于，所述第一介质基板和第二介质基板上均开有多个尺寸和位置对应的第一通孔，所述第一通孔用于安装紧固件，所述紧固件用于对第一介质基板和第二介质基板进行连接和固定。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于混合馈电的宽带滤波天线，其特征在于，所述第一介质基板和第二介质基板上均开有多个尺寸和位置对应的第二通孔，所述第二通孔用于安装短路钉，使得所述短路钉连接寄生贴片和微带结构从而实现耦合馈电。
6.根据权利要求5所述的一种基于混合馈电的宽带滤波天线，其特征在于，所述短路钉不与第二介质基板或反射地板接触。
7.根据权利要求6所述的一种基于混合馈电的宽带滤波天线，其特征在于，所述寄生贴片包括一片主辐射贴片和两片耦合贴片，两所述耦合贴片对称地设置在主辐射贴片两边。
8.根据权利要求7所述的一种基于混合馈电的宽带滤波天线，其特征在于，所述反射地板全面地覆盖第二介质基板的上表面，所述反射地板内部开有一条矩形槽和一个半径为Rgap的通孔。
9.根据权利要求8所述的一种基于混合馈电的宽带滤波天线，其特征在于，所述微带结构包括微带传输馈电线和两段开路短截线，两段所述开路短截线对称地设置在微带传输馈电线两边并与微带传输馈电线连接，两段所述开路短截线均与微带传输馈电线垂直，所述微带传输馈电线与所述反射地板内部的矩形槽空间垂直。
10.一种基于混合馈电的宽带滤波天线制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
在第一介质基板的上表面设置寄生贴片；
在第二介质基板的上表面设置反射地板；
在第二介质基板的下表面设置微带结构；
对第一介质基板与第二介质基板进行机械连接，使得第一介质基板的下表面与第二介质基板的上表面相对；
对寄生贴片、反射地板与微带结构之间进行电磁连接。
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