CN110600875A - 具有高选择性的低剖面、紧凑型线极化及圆极化滤波天线 - Google Patents

具有高选择性的低剖面、紧凑型线极化及圆极化滤波天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有高选择性的低剖面、紧凑型线极化及圆极化滤波天线，属于天线技术领域，两款滤波天线均包含辐射贴片，馈线部分，同轴电缆，两块介质基板和接地板；两块介质基板层叠设置，辐射贴片均设置在上层介质基板上表面，馈线部分均设置于下层介质基板的上表面，接地板均设置在下层介质基板的下表面；两款滤波天线唯一不同在于馈线部分，其中线极化滤波天线采用倒h型馈线，能够与辐射贴片相互作用产生两个零点来实现优异的滤波性能，圆极化滤波天线在保留上述线极化的馈线的同时额外采用一个T型馈线，从而产生圆极化滤波性能。即本发明所提出的线极化及圆极化天线结构简单、同时具有良好频率选择和带外抑制特性。

Description

具有高选择性的低剖面、紧凑型线极化及圆极化滤波天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及具有高选择性的低剖面、紧凑型线极化及圆极化滤波天线。
背景技术
随着无线通信飞速发展，各种无线通信设备研究朝着紧凑、低剖面、集成化方向不断演进。滤波天线设计作为目前兴起的兼顾滤波器和天线两者功能的新型天线设计方法进入人们的视野，并开始受到广泛的关注，倡导天线和滤波器的联合设计，使滤波天线具有辐射、阻抗匹配、临近信道抗干扰、滤波和平衡转换功能。滤波天线在频率和增益响应上均具有优良的频率选择特性和良好的带外抑制能力，适宜于有效减少复杂电磁环境下的无用信号干扰，提高通信系统的抗干扰能力以及由于传统的滤波器和天线级联而产生的匹配电路被省略从而缩减系统尺寸，具有重要的工程实用价值。
近年来，国内外研究者们发展了多种实现滤波天线的有效方法，但是这些设计方法的难易程度和优缺点也各不相同。第一种方法是将滤波器直接作为天线的馈电网络来实现滤波性能，这种方式可以减小传统方法的互联损耗，减轻射频前端重量，但是该方法在很大程度上直接增加了滤波天线的尺寸以及设计复杂度。第二种方法是把天线作为滤波器的最后一级谐振器和阻抗负载，使得天线同时具有滤波和辐射功能，但这通常需要耦合和级联多个谐振器，导致占用很大的横向尺寸。第三种方法通过在天线上进行优化，如在辐射体上蚀刻槽，采用缺陷地结构，从而让天线表现出滤波的性能，且没有单独的滤波器结构，但这通常会在使其增益比未加载滤波性能时要低。第四种方案是通过改变天线的馈电结构，如加接地探针，增加寄生贴片单元，以及充分利用馈电结构的固有性质等来实现滤波性能，并保持带内增益不变；更进一步，以上各个方法通常两个或者多个可以有机组合，设计出性能更佳的滤波天线。但是这通常需要采用多层结构或者引入空气层，而这将会导致结构复杂、剖面较高、成本增高以及加工困难。因此，寻求新颖的设计理念，开发设计结构紧凑、剖面低、设计简单、易于加工的小型化滤波天线成为目前广大天线工作者不断努力的方向。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种适宜于线极化和圆极化的具有高选择性的低剖面、紧凑型滤波天线设计方案，这两款天线均具有结构简单、高频率选择和带外抑制的性能。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
具有高选择性的低剖面、紧凑型线极化滤波天线，包括两块介质基板、辐射贴片、馈线部分、同轴电缆和接地板；
所述馈线部分为倒h型；
所述两块介质基板平行放置，分别为上层介质基板和下层介质基板；
所述辐射贴片设置于上层介质基板的上表面；
所述馈线部分设置于下层介质基板的上表面；
所述接地板设置于所述下层介质基板的下表面，所述同轴电缆的内导体连接至倒h型的馈线部分，外导体连接至所述接地板。
可选的，所述辐射贴片为正方形，且设置在上层介质基板表面中心位置，辐射贴片边长为34.5-35.5mm，厚度为0.016-0.018mm。
可选的，所述馈线部分包括长度为30.6-31.6mm的支节Ⅰ，长度为3.8-4.8mm的支节Ⅱ以及长度为13.1-14.1mm的支节III。
可选的，所述两块介质基板采用Taconic RF-60 TC材料制成，且上层介质基板厚度为3.18mm，下层介质基板为1.27mm。
可选的，所述同轴电缆的内导体半径为0.55-0.65mm，电缆长度为4.8-5.1mm，内导体与微带线相连部分为半圆柱体，其长度为1.9-2.1mm，半径为0.55-0.65mm；外导体内径为2.0-2.1mm，外导体外径3.0-3.1mm；
所述接地板为正方形，边长为63-73mm，厚度为0.016-0.018mm。
具有高选择性的低剖面、紧凑型线圆极化滤波天线，包括两块介质基板、辐射贴片、馈线部分、同轴电缆和接地板；
所述馈线部分为倒h型，且加设T型馈线；
所述两块介质基板平行放置，分别为上层介质基板和下层介质基板；
所述辐射贴片设置于上层介质基板的上表面；
所述馈线部分设置于下层介质基板的上表面；
所述接地板设置于所述下层介质基板的下表面，所述同轴电缆的内导体连接至倒h型的馈线部分，外导体连接至所述接地板。
可选的，所述辐射贴片为正方形，且设置在上层介质基板表面中心位置，辐射贴片边长为34.5-35.5mm，厚度为0.016-0.018mm。
可选的，所述馈线部分包括长度为29.2-30.2mm的支节Ⅰ，长度为4.2-5.2mm的支节Ⅱ以及长度为13.7-14.7mm的支节III组成的倒h型馈线，以及由长度为23.3-24.3mm的支节IV，长度为16.7-17.7mm的支节V组成的T型馈线，其中支节IV垂直位于支节V正中心，且支节III与支节IV之间的空气间隙为0.3-1.3mm。
可选的，所述两块介质基板采用Taconic RF-60 TC材料制成，且上层介质基板厚度为3.18mm，下层介质基板为1.27mm。
可选的，所述同轴电缆的内导体半径为0.55-0.65mm，电缆长度为4.8-5.1mm，内导体与微带线相连部分为半圆柱体，其长度为1.9-2.1mm，半径为0.55-0.65mm；外导体内径为2.0-2.1mm，外导体外径3.0-3.1mm；
所述接地板为正方形，边长为63-73mm，厚度为0.016-0.018mm。
本发明的有益效果在于：
(1)通过采用这种新颖的馈线结构来产生两个零点，从而实现带通滤波效果；
(2)通过采用这种新颖的馈线结构来引入一个额外的谐振点，从而在低剖面下扩展带宽；
(3)由于采用这种新颖的馈线结构，能够完全在贴片正下方，从而实现紧凑的尺寸；
(4)由于采用这种新颖的馈线结构，能够在保持优良滤波性能的情况下实现线极化及圆极化。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明中线极化滤波天线整体结构三维视图；
图2为本发明中线极化滤波天线整体结构的侧视图；
图3为本发明中线极化滤波天线中馈线的整体结构主视图；
图4为本发明中线极化滤波天线的仿真阻抗带宽(S11≤-10dB)和可实现增益；
图5为本发明在2GHz频点下线极化滤波天线在ZOX平面和ZOY平面的仿真二维辐射方向图；
图6为本发明中圆极化滤波天线整体结构三维视图；
图7为本发明中圆极化滤波天线整体结构的侧视图；
图8为本发明中圆极化滤波天线中馈线的整体结构主视图；
图9为本发明中圆极化滤波天线的仿真阻抗带宽(S11≤-10dB)和可实现增益；
图10为本发明中圆极化滤波天线的轴比带宽(AR≤3dB)；
图11为本发明在2GHz频点下圆极化滤波天线在ZOX平面和ZOY平面的仿真二维辐射方向图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
线极化滤波天线
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
如图1、2所示，为本发明中具有高选择性的低剖面、紧凑型线极化滤波天线，包括辐射贴片1，馈线2，同轴电缆3，两块介质基板4、5，接地板6。
辐射贴片1位于上层介质基板4的上表面，是边长Lp为27.5-28.5mm的正方形。
馈线部分2位于下层介质基板上表面；
同轴电缆3内导体半径为0.55—0.65mm，电缆长度为4.8—5.1mm，内导体与微带线相连部分为半圆柱体，其长度为1.9—2.1mm，半径为0.55—0.65mm；外导体内径为2.0—2.1mm，外导体外径3.0—3.1mm。
两块介质基板4、5的材料都是Taconic RF-60 TC，其介电常数约6.15，损耗角正切约0.002，介质基板边长Lg为63-73mm的正方形，上层介质基板厚度为h1＝3.18mm，下层介质基板厚度为h2＝1.27mm。
接地板6位于下层介质基板5下表面，是边长Lg为63-73mm的正方形。
如图3所示，馈线部分2位于下层介质基板上表面，馈线由三部分组成，分别为支节Ⅰ、支节Ⅱ和支节III；其中，支节Ⅰ长L1为29.2-30.2mm，宽度W1为2.7—3.7mm；支节Ⅱ长L3为4.2-5.2mm，宽度W2为1.4—2.4mm；支节III长L4为13.7-14.7mm，宽度W2为1.4—2.4mm；所有枝节厚度为0.016—0.018mm。
具体实施例
图1为本发明中具有高选择性的低剖面、紧凑型线极化滤波天线的整体结构三维视图，本发明所述具有高选择性的低剖面、紧凑型线极化滤波天线包括辐射贴片1，馈线2，同轴电缆3，两块介质基板4、5，接地板6。
其中，正方形的辐射贴片1印刷在上层介质基板4的上表面，该辐射贴片的存在能够使天线呈现边射特性；
馈线2由位于下层介质基板5的上表面的三根支节构成，其中支节Ⅰ和辐射贴片1之间的相互作用能够产生一个高频零点，从而在上阻带实现优异的滤波性能；支节Ⅱ和支节III的组合形成一个L型支节，该支节的引入使馈入馈线的电磁能量全部反射，从而形成一个低频零点，进而在下阻带实现优异的滤波性能，也就是说这个紧凑、简单的馈线能够实现高频率选择特性，从而带来带通滤波响应。
两块介质基板均为正方形介质基板，其边长Lg为68mm，上层介质基板厚度为h1＝3.18mm，下层介质基板厚度为h2＝1.27mm，材料选用了Taconic RF-60 TC，其相对介电常数为6.15，损耗角正切为0.002，其中下层介质基板5下表面敷有等大小的接地板6，以上所有结构均是厚度相同的0.017mm的覆铜薄膜。
完成上述的初始设计之后，使用高频电磁仿真软件HFSS13.0进行仿真分析，经过仿真优化之后得到本发明中线极化滤波天线各项参数尺寸如下表所示。
表1本发明中线极化滤波天线各参数最佳尺寸表
依照上述参数，使用HFSS对所设计的具有高选择性的低剖面、紧凑型线极化滤波天线的S参数，二维辐射方向图，辐射增益等特性参数进行仿真分析，并且基于此得到最终实物并进行测试，仿真和测试结果如图4-5所示，结果基本吻合，并对结果具体分析如下：
如图4所示为本发明中线极化滤波天线的仿真和测试情况下的S参数和辐射增益，可以发现它在仿真情况下|S11|<-10dB条件下阻抗带宽范围为1.92-2.05GHz(6.5％),测试值为1.93-2.07GHz(7％)；其仿真增益范围为5.7±0.2dBi，而实测增益范围为5.6±0.2dBi。可以发现，仿真和测试都存在着两个辐射零点，展现出优异的频率选择特性。
如图5所示为本发明中线极化滤波天线在2GHz时分别在ZOX平面和ZOY平面的辐射方向图，从图中可以看出，天线的最大辐射方向在正Z轴，且交叉极化良好。综上所述，该线极化滤波天线，具有良好的阻抗匹配特性、滤波特性与较好且稳定的边射辐射方向图。
圆极化滤波天线
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
如图6、7所示，为本发明中具有高选择性的低剖面、紧凑型圆极化滤波天线，包括辐射贴片7，馈线8，同轴电缆9，两块介质基板10、11，接地板12。
辐射贴片7位于上层介质基板10的上表面，是边长Lp为27.5-28.5mm的正方形。
馈线部分8位于下层介质基板上表面；
同轴电缆9内导体半径为0.55—0.65mm，电缆长度为4.8—5.1mm，内导体与微带线相连部分为半圆柱体，其长度为1.9—2.1mm，半径为0.55—0.65mm；外导体内径为2.0—2.1mm，外导体外径3.0—3.1mm。
两块介质基板10、11的材料都是Taconic RF-60 TC，其介电常数约6.15，损耗角正切约0.002，介质基板边长Lg为63-73mm的正方形，上层介质基板厚度为h1＝3.18mm，下层介质基板厚度为h2＝1.27mm。
接地板12位于下层介质基板11下表面，是边长Lg为63-73mm的正方形。
如图8所示，馈线部分2位于下层介质基板上表面，馈线由五部分组成，分别为支节Ⅰ、支节Ⅱ、支节III、支节IV、支节V；其中，支节Ⅰ长L1为29.2-30.2mm，宽度W1为1.1—2.1mm；支节Ⅱ长L3为4.2-5.2mm，宽度W2为1.0—2.0mm；支节III长L4为13.7-14.7mm，宽度W2为1.0—2.0mm；支节IV长L5为16.7-17.7mm，宽度W3为1.5—2.5mm；支节V长L6为23.3-24.3mm，宽度W4为0.9—1.9mm；所有支节厚度为0.016—0.018mm。
具体实施例
图6为本发明中具有高选择性的低剖面、紧凑型圆极化滤波天线的整体结构三维视图，本发明所述具有高选择性的低剖面、紧凑型圆极化滤波天线包括辐射贴片7，馈线8，同轴电缆9，两块介质基板10、11，接地板12。
其中，正方形的辐射贴片7印刷在上层介质基板10的上表面，该辐射贴片的存在能够实现边射效应；
馈线8在线极化的基础上只是额外增加一个T型馈线，也就是支节IV和支节V。所以，滤波性能能够被维持，而这个增加的T型馈线形成了第二条路径，电磁能量分别路径1：支节Ⅰ至支节III，以及路径2：支节Ⅰ至支节IV至支节V上通过，两条路径之间形成圆极化所需要的90°相移，且两条路径正交；由于馈线大部分结构仍位于辐射贴片的正下方，所以能够保持低剖面、结构紧凑的同时实现圆极化滤波
两块介质基板均为正方形介质基板，其边长Lg为68mm，上层介质基板厚度为h1＝3.18mm，下层介质基板厚度为h2＝1.27mm，材料选用了Taconic RF-60 TC，相对介电常数为6.15，损耗角正切为0.002，其中下层介质基板11下表面敷有等大小的接地板12，以上所有结构均是厚度相同的0.017mm的覆铜薄膜。
完成上述的初始设计之后，使用高频电磁仿真软件HFSS13.0进行仿真分析，经过仿真优化之后得到本发明中线极化滤波天线各项参数尺寸如下表所示。
表1本发明中线极化滤波天线各参数最佳尺寸表
依照上述参数，使用HFSS对所设计的具有高选择性的低剖面、紧凑型圆极化滤波天线的S参数，二维辐射方向图，辐射增益等特性参数进行仿真分析，并且基于此得到最终实物并进行测试，仿真和测试结果如图9-11所示，结果基本吻合，并对结果具体分析如下：
如图9和图10所示为本发明中圆极化滤波天线仿真和测试情况下的S参数和辐射增益，在仿真时，|S11|<-10dB条件下阻抗带宽范围为1.91-2.07GHz(8.0％),轴比带宽为1.94-2.02GHz(4％)，对应通带仿真增益范围为5.7±0.2dBi；在测试时，|S11|<-10dB条件下阻抗带宽范围为1.9-2.06GHz(8.1％),轴比带宽为1.94-2.03GHz(4.5％)，对应通带仿真增益范围为5.6±0.2dBi；且存在三个零点。
如图11所示为本发明中圆极化滤波天线在2GHz时分别在ZOX平面和ZOY平面的辐射方向图，天线的最大辐射方向在正Z轴，且交叉极化良好。综上所述，该圆极化滤波天线，具有良好的阻抗匹配特性、滤波特性与较好且稳定的边射辐射方向图。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.具有高选择性的低剖面、紧凑型线极化滤波天线，其特征在于：包括两块介质基板、辐射贴片、馈线部分、同轴电缆和接地板；
所述馈线部分为倒h型；
所述两块介质基板平行放置，分别为上层介质基板和下层介质基板；
所述辐射贴片设置于上层介质基板的上表面；
所述馈线部分设置于下层介质基板的上表面；
所述接地板设置于所述下层介质基板的下表面，所述同轴电缆的内导体连接至倒h型的馈线部分，外导体连接至所述接地板。
2.根据权利要求1所述的具有高选择性的低剖面、紧凑型线极化滤波天线，其特征在于：所述辐射贴片为正方形，且设置在上层介质基板表面中心位置，辐射贴片边长为34.5-35.5mm，厚度为0.016-0.018mm。
3.根据权利要求1所述的具有高选择性的低剖面、紧凑型线极化滤波天线，其特征在于：所述馈线部分包括长度为30.6-31.6mm的支节Ⅰ，长度为3.8-4.8mm的支节Ⅱ以及长度为13.1-14.1mm的支节III。
4.根据权利要求1所述的具有高选择性的低剖面、紧凑型线极化滤波天线，其特征在于：所述两块介质基板采用Taconic RF-60 TC材料制成，且上层介质基板厚度为3.18mm，下层介质基板为1.27mm。
5.根据权利要求1所述的具有高选择性的低剖面、紧凑型线极化滤波天线，其特征在于：所述同轴电缆的内导体半径为0.55-0.65mm，电缆长度为4.8-5.1mm，内导体与微带线相连部分为半圆柱体，其长度为1.9-2.1mm，半径为0.55-0.65mm；外导体内径为2.0-2.1mm，外导体外径3.0-3.1mm；
所述接地板为正方形，边长为63-73mm，厚度为0.016-0.018mm。
6.具有高选择性的低剖面、紧凑型线圆极化滤波天线，其特征在于：包括两块介质基板、辐射贴片、馈线部分、同轴电缆和接地板；
所述馈线部分为倒h型，且加设T型馈线；
所述两块介质基板平行放置，分别为上层介质基板和下层介质基板；
所述辐射贴片设置于上层介质基板的上表面；
所述馈线部分设置于下层介质基板的上表面；
所述接地板设置于所述下层介质基板的下表面，所述同轴电缆的内导体连接至倒h型的馈线部分，外导体连接至所述接地板。
7.根据权利要求6所述的具有高选择性的低剖面、紧凑型线圆极化滤波天线，其特征在于：所述辐射贴片为正方形，且设置在上层介质基板表面中心位置，辐射贴片边长为34.5-35.5mm，厚度为0.016-0.018mm。
8.根据权利要求6所述的具有高选择性的低剖面、紧凑型线圆极化滤波天线，其特征在于：所述馈线部分包括长度为29.2-30.2mm的支节Ⅰ，长度为4.2-5.2mm的支节Ⅱ以及长度为13.7-14.7mm的支节III组成的倒h型馈线，以及由长度为23.3-24.3mm的支节IV，长度为16.7-17.7mm的支节V组成的T型馈线，其中支节IV垂直位于支节V正中心，且支节III与支节IV之间的空气间隙为0.3-1.3mm。
9.根据权利要求6所述的具有高选择性的低剖面、紧凑型线圆极化滤波天线，其特征在于：所述两块介质基板采用Taconic RF-60 TC材料制成，且上层介质基板厚度为3.18mm，下层介质基板为1.27mm。
10.根据权利要求6所述的具有高选择性的低剖面、紧凑型线圆极化滤波天线，其特征在于：所述同轴电缆的内导体半径为0.55-0.65mm，电缆长度为4.8-5.1mm，内导体与微带线相连部分为半圆柱体，其长度为1.9-2.1mm，半径为0.55-0.65mm；外导体内径为2.0-2.1mm，外导体外径3.0-3.1mm；
所述接地板为正方形，边长为63-73mm，厚度为0.016-0.018mm。
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