CN110233342A - 一种复数阻抗匹配圆极化滤波天线 - Google Patents

一种复数阻抗匹配圆极化滤波天线 Download PDF

Info

Publication number
CN110233342A
CN110233342A CN201910553605.6A CN201910553605A CN110233342A CN 110233342 A CN110233342 A CN 110233342A CN 201910553605 A CN201910553605 A CN 201910553605A CN 110233342 A CN110233342 A CN 110233342A
Authority
CN
China
Prior art keywords
antenna
complex impedance
layer
medium substrate
filter antenna
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910553605.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110233342B (zh
Inventor
董亚洲
董士伟
禹旭敏
王颖
刘硕
李小军
朱舸
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian Institute of Space Radio Technology
Original Assignee
Xian Institute of Space Radio Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian Institute of Space Radio Technology filed Critical Xian Institute of Space Radio Technology
Priority to CN201910553605.6A priority Critical patent/CN110233342B/zh
Publication of CN110233342A publication Critical patent/CN110233342A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110233342B publication Critical patent/CN110233342B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P7/00—Resonators of the waveguide type
    • H01P7/08—Strip line resonators
    • H01P7/082—Microstripline resonators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/48—Earthing means; Earth screens; Counterpoises
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/50—Structural association of antennas with earthing switches, lead-in devices or lightning protectors

Landscapes

  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)

Abstract

一种复数阻抗匹配圆极化滤波天线，包括两层介质基板和三层金属层，两个基板之间由空气填充。天线辐射单元位于第一层介质基板的顶层，为带有缺口的圆形金属贴片。接地金属层位于第二层基板的上层，刻蚀有不对称的U形槽。滤波馈电结构位于第二层基板的底层，在微带线的终端连接一个发夹形微带谐振器。本发明通过调节U形微带线谐振器和耦合缝隙的尺寸，对耦合矩阵中的品质因数和耦合系数进行调谐，即可实现天线的复数阻抗匹配；通过U形微带线谐振器和圆形贴片谐振调谐，拓展了天线的工作带宽，同时实现了二次谐波抑制。本发明在实现天线宽带工作的同时可保证二次谐波抑制以及复数阻抗匹配。

Description

一种复数阻抗匹配圆极化滤波天线
技术领域
本发明属于天线与微波技术领域，涉及一种滤波天线。
背景技术
现有的无线射频系统中，射频前端的天线与滤波器等各种电路大多采用各自独立分别设计，再通过射频接头、电缆等级联在一起，存在阻抗匹配及额外的插入损耗等问题。在滤波天线设计中，天线成为滤波电路的一个元件，需要同时设计仿真和优化天线和滤波电路。
与传统天线相比，滤波天线在天线和RF电路之间不需要单独的阻抗匹配网络，还具有诸如尺寸紧凑、低损耗、宽带宽、高频选择性、宽带谐波抑制，改善带外抑制和减少干扰等许多优点。近年来滤波天线由于这些潜力而成为一个热门的研究课题。尽管有许多关于滤波天线或阵列设计的报道，但这些天线的输入阻抗都设计为匹配到50Ω。但是在射频系统中，功率放大器电路或者整流电路的部件的输入阻抗通常为输入阻抗。如微波能量传输系统中的整流电路的输入阻抗通常具有复数阻抗并随频率和输入功率而变化。因此迫切需要使滤波天线的输入阻抗与放大器或整流电路等部件的输入阻抗共轭匹配，去除匹配网络和低通滤波器，以便减小损耗，提高效率。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提出一种复数阻抗匹配圆极化滤波天线，利用滤波天线中各个谐振器的特性实现宽带工作和谐波抑制功能，再通过调节各个谐振器的品质因数和耦合系数来实现复数阻抗匹配，解决了传统常规设计中引入滤波器、阻抗匹配网络产生的损耗增加、结构复杂等问题。
本发明的技术解决方案是：一种复数阻抗匹配圆极化滤波天线，包括第一层介质基板、第二层介质基板、金属贴片、接地金属层、馈电结构层；第一层介质基板、第二层介质基板平行，两层介质基板之间由空气填充；天线辐射单元安装在第一层介质基板上，位于第一层介质基板的外侧，天线辐射单元为圆形的金属贴片；接地金属层安装在第二层基板上，位于第二层介质基板内侧，接地金属层中部刻蚀有不对称的U形槽；馈电结构层安装在第二层基板上，位于第二层基板的外侧，馈电结构层包括矩形金属条带和U形微带线谐振器，矩形金属条带末端连接U形微带线谐振器。
U形微带线谐振器的中心轴与矩形金属条带垂直，U形槽的底边的中心点与U形微带线谐振器的底边的中心点位置重合。
通过调节U形微带线谐振器和不对称U形槽的尺寸，实现复数阻抗匹配，具体方法为：通过改变U形微带线谐振器中两臂之间的距离L1，在三维全波电磁仿真软件中观察所述滤波天线的输入阻抗变化，调节滤波天线输入阻抗的虚部和实部；通过调节U形微带线谐振器中两臂的臂长L2和不对称U形槽两臂之间的距离L3，在三维全波电磁仿真软件中观察所述滤波天线的输入阻抗变化，调整输入阻抗的实部，根据以上步骤迭代优化实现所述滤波天线的复数阻抗匹配。
U形微带线谐振器的谐振频率和圆形金属贴片的谐振频率之间的偏差为所需工作带宽的1/3。
金属贴片上刻蚀有缺口，两缺口关于圆心对称。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明与现有技术相比，通过调节U形微带线谐振器和耦合缝隙的尺寸，实现复数阻抗匹配，可省去天线与电路之间的匹配电路，减小了损耗；
(2)本发明中通过滤波天线的设计，在拓展天线工作带宽的同时实现了二次谐波抑制。
(3)本发明中采用多层基板层叠式设计，实现了天线单元与滤波电路的集成化多功能设计，提高了集成度。
(4)结合了滤波天线谐波抑制、宽带工作与复数阻抗匹配功能，在天线宽带工作的同时可实现复数阻抗匹配和二次谐波抑制，解决了目前天线与放大器、整流电路等集成设计中存在的滤波器和阻抗匹配网络产生的附加损耗问题
附图说明
图1为本发明一种复数阻抗匹配圆极化滤波天线正视图和侧视图；
图2为本发明中天线辐射单元结构示意图；
图3为本发明中接地金属层结构示意图；
图4为本发明中底层馈电结构示意图；
图5为本发明实施例中复数阻抗匹配滤波天线输入阻抗仿真结果；
图6为本发明实施例中复数阻抗匹配滤波天线S11仿真结果；
图7为本发明实施例中复数阻抗匹配滤波天线辐射方向图仿真结果；
图8为本发明实施例中复数阻抗匹配滤波天线轴比仿真结果。
具体实施方式
本发明提出一种复数阻抗匹配圆极化滤波天线，从复数阻抗匹配滤波理论出发，通过调节U形微带线谐振器和耦合缝隙的尺寸，对耦合矩阵中的品质因数和耦合系数进行调谐，实现复数阻抗匹配；U形微带线谐振器和圆形贴片的谐振频率略有不同，拓展天线的工作带宽，同时实现二次谐波抑制；通过在中间金属层刻蚀不对称的U形槽，对圆形贴片馈电，实现圆极化辐射，在圆形贴片上刻蚀缺口进一步优化圆极化特性。
下面结合附图与实施例对本发明进行详细说明。
如图1～4所示，一种复数阻抗匹配圆极化滤波天线，包括第一层介质基板1、第二层介质基板2、金属贴片3、接地金属层4、馈电结构层5；第一层介质基板1、第二层介质基板2平行，两层介质基板之间由空气填充；天线辐射单元安装在第一层介质基板1上，位于第一层介质基板1的外侧，天线辐射单元为圆形的金属贴片3；接地金属层4安装在第二层基板2上，位于第二层介质基板2内侧，接地金属层4中部刻蚀有不对称的U形槽6；馈电结构层5安装在第二层基板2上，位于第二层基板2的外侧，馈电结构层5包括矩形金属条带和U形微带线谐振器7，矩形金属条带末端连接U形微带线谐振器7。
U形微带线谐振器7的中心轴与矩形金属条带垂直，U形槽6的底边的中心点与U形微带线谐振器7的底边的中心点位置重合。
复数阻抗匹配圆极化滤波天线，通过调节U形微带线谐振器7和不对称U形槽6的尺寸，实现复数阻抗匹配，具体方法为：通过改变U形微带线谐振器7中两臂之间的距离L1，在三维全波电磁仿真软件中观察所述滤波天线的输入阻抗变化，调节滤波天线输入阻抗的虚部和实部；通过调节U形微带线谐振器7中两臂的臂长L2和不对称U形槽6两臂之间的距离L3，在三维全波电磁仿真软件中观察所述滤波天线的输入阻抗变化，调整输入阻抗的实部，根据以上步骤迭代优化实现所述滤波天线的复数阻抗匹配。
U形微带线谐振器7的谐振频率和圆形金属贴片3的谐振频率之间的偏差为所需工作带宽的1/3。
金属贴片3上刻蚀有缺口，两缺口关于圆心对称。
实施例：
对工作频率5.8GHz的复数阻抗匹配圆极化滤波天线实例进行了仿真研究。该天线工作频率为5.8GHz，印刷在两层Rogers 4003C基板上(εr＝3.55，tanδ＝0.009)，厚度为0.813mm。两个基板之间的距离为2mm。辐射单元蚀刻在上基板的顶层上。它是一个带有缺口的圆形贴片。中间地板上刻蚀有不对称的U形槽用于产生圆极化辐射。在馈电结构中采用了U形微带线谐振器与辐射贴片共同形成滤波功能。
将整流电路仿真研究中得到的特定整流电路的一个典型输入阻抗是73.5+j106.3Ω作为复数阻抗匹配目标。滤波天线的输入阻抗应与其共轭匹配，以实现最大功率传输。设计和优化了输入阻抗为73.5-j106.3Ω的滤波天线。基于等效电路建模方法，可以通过调整滤波天线中谐振器的外部品质因数和耦合系数来实现复阻抗匹配。通过改变U形微带线谐振器两臂之间的距离可以调节滤波天线输入阻抗的虚部和实部，通过调节U形微带线谐振器两臂的臂长和不对称U形槽两臂之间的距离可以相对独立地调整输入阻抗的实部在该设计中可以容易地调整滤波天线的输入阻抗。因此，本发明的天线设计可以容易地适应整流电路的优化。
最终优化仿真得到该复数阻抗匹配滤波天线的输入阻抗仿真值见图5所示，仿真得到的S11值并根据系统阻抗Z0＝73.5-j106.3Ω重新计算，如图6所示。实现了从5.47到6.31GHz(≈14.5％)的宽带复阻抗匹配性能，阻抗在11至12GHz的频带内不匹配，实现了二次谐波抑制。该滤波天线在5.8GHz的辐射方向图如图7所示。峰值增益约为7.6dBi，交叉极化(XPD)高于25dB。轴比(AR)的仿真结果如图8所示，在5.69-5.96GHz频率范围内小于3dB。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种复数阻抗匹配圆极化滤波天线，其特征在于：包括第一层介质基板(1)、第二层介质基板(2)、金属贴片(3)、接地金属层(4)、馈电结构层(5)；第一层介质基板(1)、第二层介质基板(2)平行，两层介质基板之间由空气填充；天线辐射单元安装在第一层介质基板(1)上，位于第一层介质基板(1)的外侧，天线辐射单元为圆形的金属贴片(3)；接地金属层(4)安装在第二层基板(2)上，位于第二层介质基板(2)内侧，接地金属层(4)中部刻蚀有不对称的U形槽(6)；馈电结构层(5)安装在第二层基板(2)上，位于第二层基板(2)的外侧，馈电结构层(5)包括矩形金属条带和U形微带线谐振器(7)，矩形金属条带末端连接U形微带线谐振器(7)。
2.根据权利要求1所述的一种复数阻抗匹配圆极化滤波天线，其特征在于：U形微带线谐振器(7)的中心轴与矩形金属条带垂直，U形槽(6)的底边的中心点与U形微带线谐振器(7)的底边的中心点位置重合。
3.根据权利要求2所述的一种复数阻抗匹配圆极化滤波天线，其特征在于：通过调节U形微带线谐振器(7)和不对称U形槽(6)的尺寸，实现复数阻抗匹配，具体方法为：通过改变U形微带线谐振器(7)中两臂之间的距离L1，在三维全波电磁仿真软件中观察所述滤波天线的输入阻抗变化，调节滤波天线输入阻抗的虚部和实部；通过调节U形微带线谐振器(7)中两臂的臂长L2和不对称U形槽(6)两臂之间的距离L3，在三维全波电磁仿真软件中观察所述滤波天线的输入阻抗变化，调整输入阻抗的实部，根据以上步骤迭代优化实现所述滤波天线的复数阻抗匹配。
4.根据权利要求3所述的一种复数阻抗匹配圆极化滤波天线，其特征在于：U形微带线谐振器(7)的谐振频率和圆形金属贴片(3)的谐振频率之间的偏差为所需工作带宽的1/3。
5.根据权利要求4所述的一种复数阻抗匹配圆极化滤波天线，其特征在于：金属贴片(3)上刻蚀有缺口，两缺口关于圆心对称。
CN201910553605.6A 2019-06-24 2019-06-24 一种复数阻抗匹配圆极化滤波天线 Active CN110233342B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910553605.6A CN110233342B (zh) 2019-06-24 2019-06-24 一种复数阻抗匹配圆极化滤波天线

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910553605.6A CN110233342B (zh) 2019-06-24 2019-06-24 一种复数阻抗匹配圆极化滤波天线

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110233342A true CN110233342A (zh) 2019-09-13
CN110233342B CN110233342B (zh) 2021-02-05

Family

ID=67857298

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910553605.6A Active CN110233342B (zh) 2019-06-24 2019-06-24 一种复数阻抗匹配圆极化滤波天线

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110233342B (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110600875A (zh) * 2019-09-19 2019-12-20 重庆大学 具有高选择性的低剖面、紧凑型线极化及圆极化滤波天线
CN114389041A (zh) * 2021-12-17 2022-04-22 西安电子科技大学 一种高带宽siw圆极化滤波天线
CN114566796A (zh) * 2022-03-11 2022-05-31 厦门大学 一种宽带高增益圆极化滤波天线
CN116722342A (zh) * 2023-08-09 2023-09-08 安徽蓝讯通信科技有限公司 一种毫米波滤波超表面天线模块及通信设备
CN117691351A (zh) * 2024-02-01 2024-03-12 西南科技大学 一种加载串行配置滤波条带的宽带滤波圆极化天线

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5241322A (en) * 1991-03-21 1993-08-31 Gegan Michael J Twin element coplanar, U-slot, microstrip antenna
CN104701628A (zh) * 2015-03-12 2015-06-10 西安电子科技大学 宽带圆极化微带天线
EP3120414A1 (fr) * 2014-03-20 2017-01-25 Universite De Rennes I Antenne planaire accordable en fréquence et alimentée par fente, et récepteur de positionnement par satellites comprenant une telle antenne
CN107171078A (zh) * 2017-04-28 2017-09-15 华南理工大学 圆极化微带双工天线
CN108767481A (zh) * 2018-05-29 2018-11-06 电子科技大学 一种宽波束的方向图可重构整流天线
CN109742539A (zh) * 2019-02-26 2019-05-10 深圳市卓睿通信技术有限公司 一种具有宽带及滤波特性的贴片天线
CN109904609A (zh) * 2019-01-11 2019-06-18 杭州电子科技大学 宽带圆极化滤波天线

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5241322A (en) * 1991-03-21 1993-08-31 Gegan Michael J Twin element coplanar, U-slot, microstrip antenna
EP3120414A1 (fr) * 2014-03-20 2017-01-25 Universite De Rennes I Antenne planaire accordable en fréquence et alimentée par fente, et récepteur de positionnement par satellites comprenant une telle antenne
CN104701628A (zh) * 2015-03-12 2015-06-10 西安电子科技大学 宽带圆极化微带天线
CN107171078A (zh) * 2017-04-28 2017-09-15 华南理工大学 圆极化微带双工天线
CN108767481A (zh) * 2018-05-29 2018-11-06 电子科技大学 一种宽波束的方向图可重构整流天线
CN109904609A (zh) * 2019-01-11 2019-06-18 杭州电子科技大学 宽带圆极化滤波天线
CN109742539A (zh) * 2019-02-26 2019-05-10 深圳市卓睿通信技术有限公司 一种具有宽带及滤波特性的贴片天线

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
B. LI: "A Circularly Polarized Dielectric Resonator", 《IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS》 *
CHUN-XU MAO: "Dual-Band Circularly Polarized Shared-Aperture", 《IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION》 *
吴慧娴: "毫米波天线阵列及单元研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》 *
王颖: "《微波能量传输系统设计及试验》", 《中国空间科学技术》 *
聂在平: "《天线工程手册》", 31 December 2014 *

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110600875A (zh) * 2019-09-19 2019-12-20 重庆大学 具有高选择性的低剖面、紧凑型线极化及圆极化滤波天线
CN110600875B (zh) * 2019-09-19 2021-02-09 重庆大学 具有高选择性的低剖面、紧凑型线极化及圆极化滤波天线
CN114389041A (zh) * 2021-12-17 2022-04-22 西安电子科技大学 一种高带宽siw圆极化滤波天线
CN114389041B (zh) * 2021-12-17 2022-12-27 西安电子科技大学 一种高带宽siw圆极化滤波天线
CN114566796A (zh) * 2022-03-11 2022-05-31 厦门大学 一种宽带高增益圆极化滤波天线
CN114566796B (zh) * 2022-03-11 2022-12-06 厦门大学 一种宽带高增益圆极化滤波天线
CN116722342A (zh) * 2023-08-09 2023-09-08 安徽蓝讯通信科技有限公司 一种毫米波滤波超表面天线模块及通信设备
CN116722342B (zh) * 2023-08-09 2023-10-10 安徽蓝讯通信科技有限公司 一种毫米波滤波超表面天线模块及通信设备
CN117691351A (zh) * 2024-02-01 2024-03-12 西南科技大学 一种加载串行配置滤波条带的宽带滤波圆极化天线
CN117691351B (zh) * 2024-02-01 2024-05-14 西南科技大学 一种加载串行配置滤波条带的宽带滤波圆极化天线

Also Published As

Publication number Publication date
CN110233342B (zh) 2021-02-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110233342A (zh) 一种复数阻抗匹配圆极化滤波天线
Chou et al. All polarization receiving rectenna with harmonic rejection property for wireless power transmission
CN207690998U (zh) 一种具有宽带高增益的微带贴片天线
CN105591197B (zh) 一种低剖面、宽带、高增益滤波天线
Park et al. Study of a T-shaped slot with a capacitor for high isolation between MIMO antennas
CN108039591B (zh) 具有谐波抑制能力的双线极化整流天线
CN105244614A (zh) 一种宽带容性馈电小型化微带贴片天线
CN106299705A (zh) 一种平面宽带滤波天线
CN106469848A (zh) 一种基于双谐振模式的宽带差分贴片天线
Dong et al. Broadband circularly polarized filtering antennas
Dastranj et al. A compact UWB antenna design using rounded inverted L-shaped slots and beveled asymmetrical patch
CN105490036A (zh) 一种串馈并馈结合的滤波微带阵列天线
CN205122765U (zh) 一种宽带容性馈电小型化微带贴片天线
Wang et al. A dual-band filtering dielectric resonator antenna
Allabouche et al. Multiband rectangular dielectric resonator antenna for 5G applications
Lin et al. A compact edge-fed filtering microstrip antenna with 0.2 dB equal-ripple response
CN107706546A (zh) 一种寄生耦合馈电的多频带天线
Lin et al. Single-sleeve waveguide-to-microstrip transition probe for full waveguide bandwidth
CN109860976A (zh) 一种基于差分谐振器馈电的宽带贴片天线
CN215008575U (zh) 用于5g通信的双频双极化介质谐振天线及移动终端设备
Ibrahim Design of low-cost, circularly polarized, and wideband U-slot microstrip patch antenna with parasitic elements for WiGig and WPAN applications
CN205657172U (zh) 介质谐振器滤波天线
Chin et al. LTCC differential-fed patch antennas with rat-race feeding structures
Mathur et al. The array structure of 2× 2 coplanar monopole antenna with Wilkinson power combiner for RF energy harvesting application
Li et al. UWB planar inverted-F antenna (PIFA) with differential feeding technique

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant