CN110829009A - 一种基于网格开槽贴片的宽带滤波天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于网格开槽贴片的宽带滤波天线，包括从下往上依次排序的第一、二、三介质板；第一、二介质板之间存在第一空气层；第二、三介质板之间存在第二空气层；第三介质板上表面形成有第三覆铜层，第三覆铜层上设有网格开槽贴片；第二介质板上表面形成有第二覆铜层，第二覆铜层上设有矩形贴片；第一介质板上表面设有接地板，下表面形成有第一覆铜层，接地板上设有耦合孔径，第一覆铜层上设有第一、二、三半波长U型谐振器及耦合馈线，第一介质板的上、下表面制作有输入端口。本发明是基于滤波器综合设计的一个四阶滤波天线，在2.27GHz‑2.57GHz的范围内稳定工作，S11<‑10dB，且增益保持在7.5dBi左右，整个天线结构简单紧凑，而且加工方便，成本低。

Description

一种基于网格开槽贴片的宽带滤波天线
技术领域
本发明涉及天线的技术领域，尤其是指一种基于网格开槽贴片的宽带滤波天线。
背景技术
随着无线通信的高速发展，以及5G通信系统的商用，对于无线通信系统的通信容量和传输速率有了更高的指标要求，此外5G通信系统对于天线的滤波特性有一定的要求。贴片天线由于其重量轻、体积小、易共形、易加工、成本低等优点被广泛应用到无线通讯系统中。但是，微带贴片天线常常受限于其工作带宽过窄。对于贴片天线的带宽扩展，很对学者通过不断的改进和研究其特性，提出了许多宽带滤波贴片天线的技术。然而有些方法会导致效率减低，增益降低、方向图不稳定等问题。
对现有技术进行调查了解，具体如下：
李启方教授和器研究生在1995年提出加载U型缝隙来拓宽带宽。加载U型缝隙，使贴片形成多调谐电路，从而展宽了频带。后面很多加载缝隙拓宽带宽的也是基于这一原理。
章秀银教授等人提出了利用在贴片上开槽和加载短路柱的方法实现滤波天线。
总的来说，现有的工作中，有不少关于设计宽带天线和滤波天线的研究，但是很多设计的滤波天线带宽有限或者仅仅是某个方向的滤波，不是全方向的滤波。有些方法通过加缝隙等方法形成多调谐回路实现带宽拓宽和滤波，但是天线的增益和波形会受到影响。为了克服利用滤波器综合的设计方法设计滤波天线所带来的带宽窄的问题，本发明提出了一款基于网格开槽贴片的宽带滤波天线。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种基于网格开槽贴片的宽带滤波天线，是基于滤波器综合设计的一个四阶滤波天线，该天线可以在2.27GHz-2.57GHz的范围内稳定工作，在2.27GHz-2.57GHz的频率范围内S11<-10dB，而且在2.27GHz-2.57GHz的频率范围内的增益保持在7.5dBi左右。整个天线结构简单紧凑，而且加工方便，成本低。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种基于网格开槽贴片的宽带滤波天线，包括第一介质板、第二介质板和第三介质板；所述第二介质板位于第一介质板上方，它们之间存在第一空气层，用于提高天线的增益；所述第三介质板位于第二介质板上方，它们之间存在第二空气层，用于减少天线在带宽内的反射系数；所述第三介质板的上表面形成有第三覆铜层，该第三覆铜层上设有由正方形贴片通过水平的多条槽线和垂直的多条槽线相交分割而成的网格开槽贴片，用于提高天线的带宽和减少通带内的反射系数；所述第二介质板的上表面形成有第二覆铜层，该第二覆铜层上设有矩形贴片，作为整个天线的主要辐射源；所述第一介质板的上表面设有接地板，其下表面形成有第一覆铜层，所述接地板上设有耦合孔径，所述第一覆铜层上分别设有第一半波长U型谐振器、第二半波长U型谐振器、第三半波长U型谐振器、耦合馈线，且在所述第一介质板的上、下表面制作有输入端口，所述第二半波长U型谐振器位于第一半波长U型谐振器和第三半波长U型谐振器之间，所述耦合馈线位于第三半波长U型谐振器的一侧，并与输入端口连接，能够将从输入端口馈入的能量耦合到第三半波长U型谐振器，所述第三半波长U型谐振器将能量耦合到第二半波长U型谐振器，所述第二半波长U型谐振器将能量耦合到第一半波长U型谐振器，所述第一半波长U型谐振器通过耦合孔径将能量耦合到矩形贴片，从而实现一个四阶滤波功能。
进一步，所述网格开槽贴片是由正方形贴片通过水平的五条槽线和垂直的三条槽线相交分割形成，且分割有24个小型矩形贴片。
进一步，所述输入端口为50欧姆的阻抗匹配端口。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明天线的工作频率为超过2.27GHz-2.57GHz的频率范围，相对带宽超过12.4％。
2、本发明天线在2.27GHz-2.57GHz的频率范围内增益非常平坦，在7.5dB左右的范围内维持稳定。
3、本发明天线是基于滤波器综合设计方法设计的四阶滤波天线，具有很好的滤波特性。
4、本发明天线的方向图在2.27GHz-2.57GHz的频率范围内具有良好的特性。
5、本发明天线加工简单，重量轻，加工成本低，工作带宽宽，具有很好的应用前景。
附图说明
图1为本发明的基于网格开槽贴片的宽带滤波天线立体图。
图2为本发明的基于网格开槽贴片的宽带滤波天线的侧视图。
图3为本发明的第三介质板上表面示意图。
图4为本发明的第二介质板上表面示意图。
图5为本发明的第一介质板下表面示意图。
图6为本发明的基于网格开槽贴片的宽带滤波天线的反射系数S11仿真结果和增益曲线的仿真结果图。
图7为本发明的基于网格开槽贴片的宽带滤波天线在2.4GHz的方向图的仿真结果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
参见图1至图5所示，本实施例所提供的基于网格开槽贴片的宽带滤波天线，包括第一介质板1、第二介质板2和第三介质板3；所述第二介质板2位于第一介质板1上方，它们之间存在第一空气层8，第一空气层8的主要作用是为了提高天线的增益；所述第三介质板3位于第二介质板2上方，它们之间存在第二空气层9，第二空气层9主要是为了减少天线在带宽内的反射系数；所述第三介质板3的上表面形成有第三覆铜层7，该第三覆铜层7上设有网格开槽贴片10，该网格开槽贴片10是由正方形贴片通过水平的五条槽线和垂直的三条槽线相交分割形成，分割有24个小型矩形贴片，正方形贴片的长度为44.5毫米，八条槽线的线宽均为0.5毫米，其主要作用是提高天线的带宽，减少通带内的反射系数；所述第二介质板2的上表面形成有第二覆铜层6，该第二覆铜层6上设有矩形贴片11，作为整个天线的主要辐射源，并作为滤波器综合设计的最后一级；所述第一介质板1的上表面设有接地板5，其下表面形成有第一覆铜层4，所述接地板5上设有耦合孔径12，所述第一覆铜层4上分别设有第一半波长U型谐振器13、第二半波长U型谐振器14、第三半波长U型谐振器15、耦合馈线16，且在所述第一介质板1的上、下表面制作有输入端口17，所述第二半波长U型谐振器14位于第一半波长U型谐振器13和第三半波长U型谐振器15之间，所述耦合馈线16位于第三半波长U型谐振器15的一侧，并与输入端口17连接，能够将从输入端口17馈入的能量耦合到第三半波长U型谐振器15，所述第三半波长U型谐振器15将能量耦合到第二半波长U型谐振器14，所述第二半波长U型谐振器14将能量耦合到第一半波长U型谐振器13，所述第一半波长U型谐振器13通过耦合孔径12将能量耦合到矩形贴片11，从而实现一个四阶滤波功能。
设计中第一介质板1、第二介质板2和第三介质板3的介电常数均为2.55，损耗角正切为0.0029。第一介质板1的厚度为0.8毫米，第二介质板2和第三介质板3的厚度均为1.5毫米。第一空气层8的厚度为2毫米、第二空气层9的厚度为14毫米。输入端口17为50欧姆的阻抗匹配端口。
参见图6所示，显示了本实施例上述宽带滤波天线的反射系数S11和增益曲线的仿真结果。从图中可以看到，反射系数|S11|<-10dB的频率范围超过了2.27GHz-2.57GHz的频率区间，相对带宽超过了12.4％，在2.27GHz-2.57GHz的频率范围内，增益平坦，保持在7.5dBi左右。
参见图7所示，显示了本实施例上述宽带滤波天线在2.4GHz频率点的E面和H面的仿真方向。从图中可以看到，本发明天线的方向图符合需要的特性。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于网格开槽贴片的宽带滤波天线，其特征在于：包括第一介质板、第二介质板和第三介质板；所述第二介质板位于第一介质板上方，它们之间存在第一空气层，用于提高天线的增益；所述第三介质板位于第二介质板上方，它们之间存在第二空气层，用于减少天线在带宽内的反射系数；所述第三介质板的上表面形成有第三覆铜层，该第三覆铜层上设有由正方形贴片通过水平的多条槽线和垂直的多条槽线相交分割而成的网格开槽贴片，用于提高天线的带宽和减少通带内的反射系数；所述第二介质板的上表面形成有第二覆铜层，该第二覆铜层上设有矩形贴片，作为整个天线的主要辐射源；所述第一介质板的上表面设有接地板，其下表面形成有第一覆铜层，所述接地板上设有耦合孔径，所述第一覆铜层上分别设有第一半波长U型谐振器、第二半波长U型谐振器、第三半波长U型谐振器、耦合馈线，且在所述第一介质板的上、下表面制作有输入端口，所述第二半波长U型谐振器位于第一半波长U型谐振器和第三半波长U型谐振器之间，所述耦合馈线位于第三半波长U型谐振器的一侧，并与输入端口连接，能够将从输入端口馈入的能量耦合到第三半波长U型谐振器，所述第三半波长U型谐振器将能量耦合到第二半波长U型谐振器，所述第二半波长U型谐振器将能量耦合到第一半波长U型谐振器，所述第一半波长U型谐振器通过耦合孔径将能量耦合到矩形贴片，从而实现一个四阶滤波功能。
2.根据权利要求1所述的一种基于网格开槽贴片的宽带滤波天线，其特征在于：所述网格开槽贴片是由正方形贴片通过水平的五条槽线和垂直的三条槽线相交分割形成，且分割有24个小型矩形贴片。
3.根据权利要求1所述的一种基于网格开槽贴片的宽带滤波天线，其特征在于：所述输入端口为50欧姆的阻抗匹配端口。
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