CN111009732B - 一种具有滤波功能的平面喇叭天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于天线技术领域，公开了一种具有滤波功能的平面喇叭天线、滤波器天线，包括：滤波结构，辐射结构，馈电结构，介质基板，金属地板。本发明用接地共面波导给喇叭天线馈电，在介质基板上下表面均为金属地板，滤波结构为嵌入在喇叭内部的金属化通孔阵列，最终信号通过右侧喇叭天线口径辐射。本发明的天线采用平面单层结构将喇叭天线印刷在PCB板上，通过在喇叭天线内部增加滤波结构，在不增加设备体积的情况下同时实现了滤波功能，且结构简单紧凑易于集成；工作于16.3‑17.1GHz，在频段内具有良好的带内选择和带外抑制特性；克服了传统滤波器天线设计尺寸大的缺点，将滤波器和天线进行集成设计，体积进一步减小且制造成本低，滤波结构设计简单。

Description

一种具有滤波功能的平面喇叭天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种具有滤波功能的平面喇叭天线、滤波器天线。
背景技术
目前，最接近的现有技术：在无线通信系统中，天线和滤波器必不可少，但是在传统无线通信系统设计中，天线和滤波器单独进行设计，然后直接级联，天线和滤波器的阻抗连接端口在大多数情况下必须匹配特性阻抗50Ω。并且阻抗匹配网络的加入会增加射频前端的设备尺寸和插入损耗。为了解决上面这个问题，一种新的设计概念被提出，即滤波器天线。这种设计方法是将滤波器和天线集成设计为一个器件，使其同时具备滤波器滤除杂波和天线辐射信号的功能。在设计中，喇叭天线在起辐射作用的同时，也充当滤波器的一部分。使滤波器天线的反射系数和增益曲线分别类似于滤波器的回波损耗和插入损耗曲线，提高了滤波器天线的带外抑制性能。这种设计思路的优点是显而易见的：减少了传统设计中两个元件之间的匹配电路；降低了系统的复杂程度，使得系统的尺寸能够进一步缩小，变得更紧凑；同时这样设计还减小了滤波器和天线之间的传输损耗。
综上所述，现有技术存在的问题是：现有技术存在的关于滤波喇叭天线的设备大多数是由金属角锥喇叭增加滤波结构而来，相比基片型的滤波喇叭天线来说结构相对复杂，尺寸相对大而笨重，设计相对繁琐，不符合终端小型化的趋势。
解决上述技术问题的难度：如何改善薄介质基板条件下的喇叭天线阻抗匹配问题，并且在不增加额外尺寸的情况下，实现天线的滤除杂波功能。
解决上述技术问题的意义：为实现设备尺寸的小型化，本发明设计使用了基片集成波导技术，因为介质基板的剖面太低，喇叭天线匹配较差，同时在喇叭天线内部增加滤波结构会使喇叭内部场分布发生变化，影响天线的辐射性能。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种具有滤波功能的平面喇叭天线、滤波器天线。
本发明是这样实现的，一种具有滤波功能的平面喇叭天线，所述具有滤波功能的平面喇叭天线设置有：介质基板；
介质基板内部嵌入金属化通孔，滤波结构的金属化通孔阵列通过PCB工艺打穿介质基板；介质基板的上下表面为金属地板，上表面左侧加载的是接地共面波导-基片集成波导馈电结构；
用于改善基片集成波导喇叭天线带宽的两个金属片分别印制在介质基板右侧的上下表面；
用于改善基片集成波导喇叭天线带宽的两个相同大小的金属片分别印制在介质基板右侧的上下表面；
作为滤波结构的金属化通孔阵列通过PCB工艺打穿介质基板，关于y方向上下对称。
进一步，所述接地共面波导-基片集成波导馈电结构位于介质基板的上表面，接地共面波导采用渐变的结构实现共面波导到基片集成波导的过渡。
进一步，用于实现滤波功能的结构是在介质基板中加载四排金属化通孔。
进一步，所述用于馈电的接地共面波导结构，特性阻抗为50欧姆。
进一步，位于介质基板下层表面的是金属地平面和右端用于改善基片集成波导喇叭天线带宽的辐射贴片；位于介质基板上层的是左侧的接地共面波导馈电结构，金属地平面，和右端的辐射贴片；基片集成波导两侧是构成基片集成波导喇叭天线的金属化通孔、金属化通孔；在喇叭结构内加载的是作为滤波结构的第一排金属化通孔、第二排金属化通孔、第三排金属化通孔、第四排金属化通孔且所有的金属化通孔是打穿介质基板。
进一步，介质基板采用相对介电常数为3.66的RogersRO4350B介质基板，其损耗正切为0.004，介质基板厚度为1.524mm，长为58.7mm，宽为34mm；
介质基板末端上下两侧加载的金属贴片长为54.7mm，宽为34mm；
用于改善基片集成波导喇叭天线带宽的辐射贴片与喇叭口径处间隔为 0.2mm，长为3.8mm，宽为31mm；
用于馈电的50欧姆接地共面波导采用渐变结构向基片集成波导进行过渡，总长为9.7mm，馈电接地共面波导缝宽由0.15mm渐变到1.5mm；金属化通孔直径均为1mm，除滤波结构外所有金属通孔的间距为1.5mm。
进一步，第一排金属化通孔仅由一个金属化通孔组成，位于馈电口右侧 31.7mm处，位于y方向的正中间；
第二排金属化通孔由两部分构成，第一个金属化通孔与第一排间距5.3mm，其后1.5mm处是第二部分；第二部分由五个金属化通孔构成，其中两边的金属化通孔距中心2.7mm。
进一步，第三排金属化通孔由9个金属化通孔构成与第二排金属化通孔的第二部分相距6mm，两边金属化通孔距中心6mm；
第四排金属化通孔10仅有三个金属化通孔与第三排金属化通孔相距 6.7mm，两边金属化通孔距中心3mm。
本发明的另一目的在于提供一种安装有所述具有滤波功能的平面喇叭天线的滤波器天线。
本发明的另一目的在于提供一种安装有所述滤波器天线的无线通信系统。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明提供的具有滤波功能的平面喇叭天线包括：介质基板、金属地平面、馈电结构、滤波结构和辐射结构；金属地平面位于介质基板的上下两侧；馈电结构采用50欧姆接地共面波导馈电；滤波器天线的滤波结构是由四排金属化通孔围成三个谐振腔构成的，辐射结构由基片集成波导喇叭天线和介质基板末端的两个金属板构成。本发明介质基板右端两侧通过PCB工艺蚀刻了两个大小相同的矩形金属贴片，与喇叭天线辐射口径的间距为0.2mm，其功能为调整喇叭天线的阻抗使之与自由空间的波阻抗更好的匹配，从而起到扩展薄基片集成波导喇叭天线带宽的作用；用于滤除杂波的滤波结构是在喇叭内部加载四排打穿介质基板的金属化通孔，在四排金属通孔之间形成了三个谐振腔，第一个金属化通孔和第二排金属化通孔形成的谐振腔产生了第一个谐振频率，第二排与第三排金属化通孔形成的谐振腔产生了第二个谐振频率，第三排与第四排金属化通孔形成的谐振腔产生了第三个谐振频率，三个谐振腔通过金属化通孔两侧耦合相互联系，共同作用形成滤波特性。
本发明使用平面结构设计了喇叭天线，在不额外占用设计空间的情况下完成了天线和滤波器的集成及小型化，克服了传统设计中尺寸大的缺点，体积小，重量轻且成本低，而且，平面结构的滤波天线更容易与通信系统中的其他设备集成。本发明公开的一种具有滤波功能的平面喇叭天线，在16.7GHz频段处，回波损耗和辐射增益上都显示出良好的频率选择特性，能够有效隔离带外信号的干扰。
附图说明
图1是本发明实施例提供的具有滤波功能的平面喇叭天线的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的反射系数特性曲线示意图。
图3是本发明实施例提供的工作在16.7GHz频点的XOY面归一化辐射方向示意图；
图4是本发明实施例提供的工作在16.7GHz频点的XOZ面归一化辐射方向示意图；
图5是本发明实施例提供的工作在16.7GHz频点的YOZ面归一化辐射方向示意图；
图中：1、接地共面波导；2、金属地平面；3、介质基板；4、金属贴片；5、构成基片集成波导的金属化通孔；6、金属化通孔；7、第一排金属化通孔；8、第二排金属化通孔；9、第三排金属化通孔；10、第四排金属化通孔；11、金属地平面；12、金属贴片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种具有滤波功能的平面喇叭天线、滤波器天线，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的具有滤波功能的平面喇叭天线包括：馈电结构、介质基板3、滤波器天线；位于介质基板3下层表面的是金属地平面 11和右端用于改善基片集成波导喇叭天线带宽的辐射贴片12；位于介质基板3 上层左侧的是接地共面波导馈电结构1、金属地平面2，辐射贴片4，基片集成波导两侧构成基片集成波导的金属化通孔5、金属化通孔6和在喇叭结构内作为滤波结构的第一排金属化通孔7、第二排金属化通孔8、第三排金属化通孔9、第四排金属化通孔10且所有的金属化通孔都是打穿介质基板3的。
信号通过特性阻抗为50欧姆接地共面波导输入到平面喇叭的馈电波导中，信号经过由四排金属化通孔构成的三个谐振腔对杂波信号进行滤除，最后经喇叭末端的两个金属贴片辐射出去。
基片集成波导滤波喇叭的滤波结构，其第一排金属化通孔7、第二排金属化通孔8、第三排金属化通孔9、第四排金属化通孔10的大小和加载位置以及加载数量的多少均由所需频段决定，并不仅限于特定金属化通孔的大小和加载位置以及加载数量的多少，其他不同金属化通孔排数，不同金属化通孔位置以及不同金属化通孔间距的滤波喇叭天线均属于本发明的保护范围。
本发明中介质基板3采用相对介电常数为3.66的RogersRO4350B介质基板，其损耗正切为0.004，介质基板厚度为1.524mm，长为58.7mm，宽为34mm。介质基板末端上下两侧加载的金属贴片2、11长为54.7mm，宽为34mm。用于改善基片集成波导喇叭天线带宽的辐射贴片4、12与喇叭口径处间隔为0.2mm，长为3.8mm，宽为31mm。用于馈电的50欧姆接地共面波导1采用渐变结构向基片集成波导进行过渡，总长为9.7mm，馈电接地共面波导缝宽由0.15mm渐变到1.5mm。本发明中所有的金属化通孔直径均为1mm，除滤波结构外所有金属通孔的间距为1.5mm。
第一排金属化通孔7仅由一个金属化通孔组成，位于馈电口右侧31.7mm处，位于y方向的正中间；
第二排金属化通孔8由两部分构成，第一个金属化通孔与第一排间距 5.3mm，其后1.5mm处是第二部分。第二部分由五个金属化通孔构成，其中两边的金属化通孔距中心2.7mm。
第三排金属化通孔9由9个金属化通孔构成与第二排金属化通孔的第二部分相距6mm，两边金属化通孔距中心6mm。
第四排金属化通孔10仅有三个金属化通孔与第三排金属化通孔相距 6.7mm，两边金属化通孔距中心3mm。
下面结合附图对本发明的技术效果作详细的描述。
图2为本发明具体实施例与未加滤波结构天线的反射系数特性曲线图。从图2可以看出，本发明具体实施例的工作频带(反射系数小于-10dB)为 16.3GHz-17.1GHz，相对带宽为4.79％。
图3-图5分别为本发明具体实施例的16.7GHz的XOY、XOZ和YOZ面的归一化方向图。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种具有滤波功能的平面喇叭天线，其特征在于，所述具有滤波功能的平面喇叭天线设置有：介质基板；
位于介质基板上层的是左侧的接地共面波导馈电结构、金属地平面和右端的辐射贴片；位于介质基板下层表面的是金属地平面和右端用于改善基片集成波导喇叭天线带宽的辐射贴片；介质基板内部加载四排金属化通孔，作为滤波结构的金属化通孔阵列通过PCB工艺打穿介质基板，且关于y方向上下对称，y方向为喇叭天线的中轴线，两侧是构成基片集成波导喇叭天线的金属化通孔，在喇叭结构内加载的是自左至右依次排列的作为滤波结构的第一排金属化通孔、第二排金属化通孔、第三排金属化通孔、第四排金属化通孔；金属化通孔直径均为1mm，除滤波结构外所有金属通孔的间距为1.5mm；
第一排金属化通孔仅由一个金属化通孔组成，位于馈电口右侧31.7mm处，位于y方向的正中间；
第二排金属化通孔由两部分构成，第一部分为第一金属化通孔，第一金属化通孔与第一排间距5.3mm，其后1.5mm处是第二部分；第二部分由五个金属化通孔构成，其中两边的金属化通孔距中心2.7mm；
第三排金属化通孔由九个金属化通孔构成，与第二排金属化通孔的第二部分相距6mm，两边金属化通孔距中心6mm；
第四排金属化通孔仅有三个金属化通孔，与第三排金属化通孔相距6.7mm，两边金属化通孔距中心3mm；
用于馈电的接地共面波导馈电结构，特性阻抗为50欧姆；用于馈电的50欧姆接地共面波导馈电结构采用渐变结构向基片集成波导进行过渡，总长为9.7mm，馈电共面波导缝宽由0.15mm渐变到1.5mm；
介质基板采用相对介电常数为3.66的Rogers RO4350B介质基板，其损耗正切为0.004，介质基板厚度为1.524mm，长为58.7mm，宽为34mm；介质基板上下两侧加载的金属地平面长为54.7mm，宽为34mm；用于改善基片集成波导喇叭天线带宽的辐射贴片与喇叭口径处间隔为0.2mm，长为3.8mm，宽为31mm。
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