CN110474155B - 一种毫米波滤波天线及无线通信设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种毫米波滤波天线及无线通信设备，包括寄生单元结构、馈电单元结构及馈电网络；所述寄生单元结构包括至少一个四边形寄生贴片和至少一个十字形寄生贴片，两者相互嵌套组合；所述馈电单元结构包括一个馈电贴片，所述馈电贴片加载短路贴片形成耦合；所述馈电网络对馈电单元结构进行馈电，无线通信设备由本发明的毫米波滤波天线构成。本发明天线的辐射性能既能实现高滚降的滤波特性和高隔离度，又尽量保证不引入额外的插损。
Description
技术领域
本发明涉及射频通信领域，具体涉及一种毫米波滤波天线及无线通信设备。
背景技术
无线通信的进阶式发展使得低频频谱资源愈发紧张，可以预见的是，未来毫米波将加快进入5G战场。毫米波指的是频率在30GHz-300GHz范围内的电磁波，其对应的波长范围为1mm-10mm。近年来，由于频谱资源拥挤的现状，以及对高速通信需求的持续增长，毫米波领域已经成为国际电磁波频谱资源研究、开发和利用的一个极其活跃的领域，毫米波频段拥有着大量连续的频谱资源，为超高速宽带无线通信的实现提供了可能。
封装天线(AIP)技术是通过封装材料与工艺，将天线集成在携带芯片的封装内，使天线更靠近芯片，减少互连损耗。AIP技术很好的兼顾了天线的性能、成本及体积，代表近年来天线技术的重大成就。
在基于射频集成芯片设计的收发信机中，天线封装于其中，而滤波器不适合集成在芯片里面，因为Q值太低；假如将滤波器单独封装，则需要滤波器与天线、滤波器与芯片的互连，在毫米波频段损耗较大；此外纯粹靠滤波器来实现抑制并且尽量降低损耗，则对滤波器的Q值要求高，为此采用分布式滤波的方法，将滤波与天线集成在一起，极大减轻了射频芯片电路中滤波器的设计难度。
现在已经提出了很多用于天线设计的滤波方法，比如在贴片/接地平面上切割槽，并将寄生元件靠近辐射器。此外，微带馈电线中的嵌入谐振单元，使用分形调谐短线，利用小谐振片，以及圆环单极中的嵌入四分之一波长调谐短截线均能实现辐射抑制效果。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种毫米波滤波天线及无线通信设备。
本发明天线的辐射性能既能实现高滚降的滤波特性和高隔离度，又尽量保证不引入额外的插损。
本发明采用如下技术方案：
一种毫米波滤波天线，包括寄生单元结构、馈电单元结构及馈电网络；
所述寄生单元结构包括至少一个四边形寄生贴片和至少一个十字形寄生贴片，两者相互嵌套组合；
所述馈电单元结构包括一个馈电贴片，所述馈电贴片四周加载短路贴片形成耦合；
所述馈电网络对馈电单元结构进行馈电
所述十字形馈电贴片与短路贴片之间可以存在局部金属连接。
所述短路贴片上设有短路柱。
所述馈电网络为差分馈电网络，所述差分馈电网络由两个单极化差分馈电网络构成。
所述单极化差分馈电网络包括从带状线馈入，经一分二功分器后两路引入180度相位差后连接至馈电过孔，对馈电贴片进行馈电。
所述，当十字形寄生贴片为一个时，在十字形寄生单元的四个象限内加载四边形寄生贴片；
或当所述四边形寄生贴片为一个，十字形寄生单元为四个时，十字形寄生单元环绕在四边形寄生贴片的周围。
进一步地，当馈电贴片为十字形时，在十字形馈电贴片的四个象限内加载四边形短路贴片；
当所述馈电贴片为四边形时，在四边形馈电贴片的周围环绕十字形短路贴片。
本发明从上往下，依次为寄生单元结构、馈电单元结构及馈电网络。
所述十字形寄生贴片的长度为其所引入辐射零点频率的半波长的等效电长度，所述短路柱离短路贴片(包含方形或者十字形贴片)最远顶点的距离为其所引入辐射零点频率的四分之一波长的等效电长度。
本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种无线通信设备，包括本发明所述的一种毫米波滤波天线构成。
本发明的有益效果：
(1)本发明滤波天线在通带内有良好的辐射性能，通带外具有高滚降和良好的带外抑制能力的滤波效果，实现滤波性能的方式没有带来额外的加工成本且适用面广，并且未引入额外的插损；
(2)滤波天线单元从辐射体的参考地面到天线顶部仅有0.074个工作波长长度，具有低剖面，宽带和高增益的特点，且在通带内方向图波瓣稳定，交叉极化好；
(3)天线阵列整体结构采用多层PCB加工工艺封装设计，成本低，结构紧凑，可靠性强，适用于高集成度的射频系统之中；
(4)由于没有额外滤波电路，本发明基础上设计的滤波天线的插损非常低，相比于目前的滤波天线设计方案而言，更有利于器件的低廉化、集成化。
附图说明
图1是本发明的分解结构示意图；
图2是图1中寄生单元结构的结构示意图；
图3是图1中馈电单元结构的结构示意图；
图4是图2中差分馈电网络结构示意图；
图5是本发明的回波损耗与极化隔离曲线仿真结果图；
图6是本发明实施例的增益曲线仿真结果图。
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所示，一种毫米波滤波天线，整个天线由多层pcb板粘合而成，从上往下依次包括：寄生单元结构1、馈电单元结构2及馈电网络3；
寄生单元结构，包括印制在pcb板上的至少一个十字形寄生贴片和至少一个四边形寄生贴片，两者相互嵌套组合。
十字形寄生贴片和四边形寄生贴片的个数及位置设置由实际情况确定，图1中本实施例十字形寄生贴片为一个，其四个象限内分别加载四边形寄生贴片，十字形寄生单元的中心点位于pcb板的中央。
或者四边形寄生贴片为一个，其四个角方向设置十字形寄生贴片，或者四个四边形寄生贴片和四个十字形寄生贴片组合设置。寄生单元结构内的寄生贴片及十字形寄生贴片的个数不固定，主要由相同的寄生贴片或十字形单元按二维周期性排列构成的平面结构，本实施例中四边形寄生贴片为正方形。
所述十字形寄生贴片加载在馈电贴片上方，与之形成耦合，在工作通带右侧引入一个零点，此外通过在该十字形寄生单元周围加载寄生贴片可再引入一个零点，两个零点共同作用实现了对高频边沿的快速滚降和带外抑制效果。
馈电单元结构包括印制在pcb板上的一个十字形馈电贴片及短路贴片，所述馈电贴片还可以为方形结构，所述短路贴片为四边形结构或者十字形结构，本实施例中为方形结构，所述十字形馈电贴片加载短路贴片形成耦合；通过短路贴片的谐振作用，在工作通带左侧引入一个辐射抑制零点，实现天线辐射的高通滤波响应。进一步地，将十字形馈电贴片与周围的四块短路贴片的部分连接，引入额外的电感分量，进一步提升低频处的滤波效果，在较宽的范围内都有很好的低频抑制。
馈电单元结构中，十字形馈电贴片和四边形短路贴片的个数根据实际情况确定。本实施例图1中为，当十字形馈电贴片为一个，在十字形馈电贴片的四个象限内加载四边形短路贴片。
当馈电贴片为方形时，其周围环绕加载十字形短路贴片。
所述短路贴片带有短路柱，,所述十字形寄生贴片的长度为其所引入辐射零点频率的半波长的等效电长度，所述短路柱离短路贴片最远顶点的距离为其所引入辐射零点频率的四分之一波长的等效电长度。
本实施例中产生滤波的频率只跟贴片或者十字形单元大小尺寸有关。
馈电网络印制在pcb板上，具体为双极化差分馈电网络，由两个单极化差分馈电网络构成，能量由两层地之间的带状线馈入，由两对馈电过孔对上层的馈电贴片差分馈电实现双极化效果。
本实施例中三块pcb板相互平行设置，其中心点在一条竖直直线上。
本实施例中，工作频段为24.2-29.5GHz，其对应的毫米波滤波天线的尺寸标注如图1-图4所示，具体参数如下：
L1＝1.6mm,L2＝1.6mm,H1＝0.406mm,H2＝0.12mm,H3＝0.305mm,H4＝0.102mm,W1＝0.15mm,W2＝0.875mm,W3＝1.06mm,W4＝1.22mm。
如图5所示，是本发明一个实施例提供的毫米波滤波天线的S参数图，通带内阻抗匹配良好，回波损耗均在15dB以上，工作频段内的极化隔离度保持35dB以上。
如图6所示，是本发明一个实施例提供的毫米波滤波天线的增益曲线图，工作频段24.20-29.56GHz内增益平稳，达到了22％相对带宽；通带两侧具有高滚降滤波特性，且实现了从0-22.5GHz超过17dB的滤波抑制，以及从32.4-36GHz超过19.4dB的带外滤波抑制。
所采用的滤波方式主要是通过在天线辐射体结构中嵌套两种寄生结构实现，包括一种短路贴片结构和一种加载寄生贴片的十字形寄生单元结构；所述的两种滤波结构通过耦合作用分别在工作通带的左侧引入一个零点和在右侧引入两个零点，共同作用实现了对高频边沿的快速滚降和带外抑制效果。
实施例2
一种无线通信设备，包括本发明所述的一种毫米波滤波天线。
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 (4)
1.一种毫米波滤波天线，其特征在于，包括寄生单元结构、馈电单元结构及馈电网络；从上往下，依次为寄生单元结构、馈电单元结构及馈电网络；
所述寄生单元结构包括至少一个四边形寄生贴片和至少一个十字形寄生贴片，两者相互嵌套组合；
所述馈电单元结构包括一个馈电贴片，所述馈电贴片四周加载短路贴片形成耦合；
所述馈电网络对馈电单元结构进行馈电；
所述馈电贴片与短路贴片有局部金属连接；
所述短路贴片上设有短路柱；
所述馈电网络为差分馈电网络，所述差分馈电网络由两个单极化差分馈电网络构成；
所述单极化差分馈电网络包括从带状线馈入，经一分二功分器后两路引入180度相位差后连接至馈电过孔，对馈电贴片进行馈电；
所述十字形寄生贴片的长度为其所引入辐射零点频率的半波长的等效电长度，所述短路柱离短路贴片最远顶点的距离为其所引入辐射零点频率的四分之一波长的等效电长度。
2.根据权利要求1所述的一种毫米波滤波天线，其特征在于，当十字形寄生贴片为一个时，在十字形寄生单元的四个象限内加载四边形寄生贴片；
或当所述四边形寄生贴片为一个，十字形寄生贴片为四个时，十字形寄生贴片环绕在四边形寄生贴片的周围。
3.根据权利要求1所述的一种毫米波滤波天线，其特征在于，当馈电贴片为十字形时，在十字形馈电贴片的四个象限内加载四边形短路贴片；
当所述馈电贴片为四边形时，在四边形馈电贴片的周围环绕十字形短路贴片。
4.一种无线通信设备，其特征在于，包括由权利要求1-3任一项所述的一种毫米波滤波天线。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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