CN111509373B - 一种缝隙耦合的宽带滤波天线 - Google Patents

一种缝隙耦合的宽带滤波天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种缝隙耦合的滤波天线，包括馈电网络层、第一介质基板、接地层、第二介质基板、矩形寄生贴片；所述第一介质基板位于第二介质基板的正下方，且两者间预留空气层；所述第一介质基板用于固定馈电网络层和接地层；所述第二介质基板用于固定矩形寄生贴片；所述馈电网络层位于第一介质基板的底层，用于传输信号能量；所述接地层位于第一介质基板的顶层，并其上设置有缝隙，用于将馈电网络层的能量耦合至顶层矩形寄生贴片中；所述矩形寄生贴片位于第二介质基板的顶层，作为天线的辐射单元用于向自由空间辐射能量。本发明在不直接引入滤波结构的前提下，实现了天线的宽带滤波特性和高增益辐射特性。

Description

一种缝隙耦合的宽带滤波天线
技术领域
本发明属于射频微波通信技术领域，更具体地，涉及一种缝隙耦合的滤波天线。
背景技术
随着无线通信的快速发展，通信频段和通信制式越来越多，这对射频前端的要求越来越高，特别是射频前端的小型化问题。射频前端系统中最重要的两个器件是滤波器和天线，但是，天线由于自身辐射特性的限制，在实现小型化的同时会对辐射性能造成影响。因此，基站天线自身的小型化很难实施，只能通过与滤波器的融合设计来实现系统的小型化，所以滤波天线的研究具有一定的必要性。
近年来，滤波天线有两类常用设计方法：一种方法是将天线与滤波器在水平方向或竖直方向上直接级联；另一种方法是将滤波器直接嵌入天线的馈电结构中，或者是用天线的辐射单元来替代滤波器的最后一阶谐振器来实现滤波特性。这两种方法虽然在一定程度上实现了滤波天线的小型化，但没有解决直接引入滤波结构所带来的损耗，因此在一定程度上恶化了天线的增益性能。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种缝隙耦合的滤波天线，旨在解决现有的滤波天线中由于直接引入滤波结构而导致辐射增益较低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种缝隙耦合的滤波天线，包括有馈电网络层、第一介质基板、接地层、第二介质基板、矩形寄生贴片；
所述接地层位于第一介质基板的顶层，并其上设置有缝隙，用于将馈电网络层的能量耦合至顶层矩形寄生贴片中；
所述矩形寄生贴片位于第二介质基板的顶层，作为天线的辐射单元用于向自由空间辐射能量。
优选地，所述馈电网络层包括第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线、第六微带线和第七微带线；
所述第一微带线为第二微带线与第三微带线、第四微带线与第五微带线的对称轴，用于传输信号能量；
所述第六微带线和第七微带线为第一微带线的双分支，用于控制微带馈线中的耦合量；
所述第二微带线与第三微带线以第一微带线为对称轴连接在两侧，并与接地层连接形成短路枝节，用于与接地层上的缝隙耦合产生高频带外增益零点，抑制带外辐射；
所述第四微带线与第五微带线以第一微带线为对称轴连接在第一微带线的两侧，并与接地层连接形成短路枝节，用于与接地层上的缝隙耦合产生高频带外增益零点，增强带外辐射抑制效果；
优选地，所述矩形寄生贴片关于第一微带线对称，用于与所述地板层缝隙电磁耦合在低频带外产生一个增益零点，并在通带内引入谐振模式，展宽滤波天线的带宽；
优选地，所述第四微带线包含第八微带线和第九微带线两阶段阶跃阻抗变换微带线；所述第五微带线包含第十微带线和第十一微带线两阶段阶跃阻抗变换微带线；所述第八微带线与第十微带线以第一微带线为对称轴对称分布，用于与接地层缝隙进行电磁耦合，可通过调节微带线的长度控制高频带外零点的位置；所述第九微带线与第十一微带线以第一微带线为对称轴对称分布，用于调节带内匹配；
优选地，所述接地层设置有第一U型缝隙和第二U型缝隙，所述第一U型缝隙开口向下，所述第二U型缝隙开口向上，均关于第一微带线对称，用于将能量耦合至第二介质基板的顶层矩形寄生贴片，及与所述第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线进行电磁耦合产生高频带外增益零点。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1、本发明通过寄生贴片与接地层缝隙之间的电磁耦合，在低频通带外产生一个增益零点，同时在通带内也引入了一个谐振模式，达到了展宽天线带宽的效果。
2、本发明通过在馈线中对称设置短路枝节与接地层中的U型缝隙耦合，在高频通带外产生增益零点形成滤波效果，抑制了天线的高频带外辐射。
3、本发明在没有直接引入滤波结构的情况下，仅通过寄生贴片与接地层缝隙之间的电磁耦合以及在馈电结构中引入短路枝节等方式分别在通带边缘两侧产生增益零点，实现滤波效果，从而避免了直接引入滤波结构所带来的损耗，提高了天线的增益。
附图说明
图1是本发明宽带滤波天线的俯视图；
图2是本发明宽带滤波天线的侧视图；
图3是本发明宽带滤波天线的回波损耗仿真结果；
图4是本发明宽带滤波天线的增益仿真曲线；
图5是本发明宽带滤波天线在4.1GHz时E面极化方向图；
图6是本发明宽带滤波天线在4.1GHz时H面极化方向图。
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，以下结合附图及实施例，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。
如图1和图2所示，本发明提供了一种缝隙耦合的滤波天线，包括有馈电网络层6、第一介质基板1、接地层4、第二介质基板2、矩形寄生贴片5；
所述第一介质基板1位于第二介质基板2的正下方，且两者间预留空气层3；所述第一介质基板1用于固定馈电网络层6和接地层4；所述第二介质基板2用于固定矩形寄生贴片5；
所述馈电网络层6位于第一介质基板1的底层，用于传输信号能量；
所述接地层4位于第一介质基板1的顶层，并其上设置有缝隙，用于将馈电网络层6的能量耦合至顶层矩形寄生贴片5中；
所述矩形寄生贴片5位于第二介质基板2的顶层，作为天线的辐射单元用于向自由空间辐射能量。
优选地，所述馈电网络层包括第一微带线61、第二微带线62、第三微带线63、第四微带线64、第五微带线65、第六微带线66和第七微带线67；
所述第一微带线61为第二微带线62与第三微带线63、第四微带线64与第五微带线65的对称轴，用于传输信号能量；
所述第六微带线66和第七微带线67为第一微带线61的双分支，用于控制微带馈线中的耦合量；
所述第二微带线62与第三微带线63以第一微带线61为对称轴连接在两侧，并与接地层4连接形成短路枝节，用于与接地层4上的缝隙耦合产生高频带外增益零点，抑制带外辐射；
所述第四微带线64与第五微带线65以第一微带线61为对称轴连接在两侧，并与接地层4连接形成短路枝节，用于与接地层4上的缝隙耦合产生高频带外增益零点，抑制带外辐射；
优选地，所述矩形寄生贴片5关于第一微带线61对称，用于与所述地板层4缝隙电磁耦合在低频带外产生一个增益零点，并在通带内引入谐振模式，展宽滤波天线的带宽；
优选地，所述第四微带线64包含第八微带线641和第九微带线642两阶段阶跃阻抗变换微带线；所述第五微带线65包含第十微带线651和第十一微带线652两阶段阶跃阻抗变换微带线；所述第八微带线641与第十微带线651以第一微带线61为对称轴对称分布，用于与接地层4缝隙进行电磁耦合，可通过调节微带线的长度控制高频带外零点的位置；所述第九微带线642与第十一微带线652以第一微带线61为对称轴对称分布，用于调节带内匹配；
优选地，接地层设置有两个U型缝隙41、42，第一U型缝隙41开口向下，第二U型缝隙42开口向上，均关于第一微带线61为对称，用于将能量耦合至第二介质基板2的顶层矩形寄生贴片5，以及与所述第二微带线62、第三微带线63、第四微带线64、第五微带线65进行电磁耦合产生高频带外增益零点。
优选地，所述第一介质基板1的介电常数为3.55，厚度为0.508毫米；所述第二介质基板2的介电常数为4.4，厚度为0.6毫米；所述空气层3的厚度为6毫米，用于降低微带天线Q值，展宽天线带宽。
图3显示了本发明上述缝隙耦合的宽带滤波天线的回波损耗的仿真结果。仿真滤波天线的10dB阻抗带宽为3.7GHz-4.6GHz，相对阻抗带宽为21.7％。从图中可以看到，天线在通带内达到了很好的阻抗匹配，同时通带内出现了三个反射零点，带宽相比于传统的单个辐射贴片的天线得到了很大提高。
图4显示了本发明上述缝隙耦合的宽带高增益滤波天线的增益仿真曲线。天线通带内的最大增益为7.83dBi，通带上下边缘各出现了明显的增益零点，实现了天线的滤波特性。
图5和图6显示了本发明上述缝隙耦合的宽带高增益滤波天线在4.1GHz处的辐射方向图，从图可知，该天线在E面和H面均实现了良好的定向辐射特性，交叉极化比均低于-25.65dB。
本发明通过矩形寄生贴片与接地层开设的缝隙之间的电磁耦合，产生三频辐射带宽并在低频带外形成增益零点，拓展天线带宽的同时也抑制了天线的低频带外辐射特性。
本发明通过在所述第一微带线61两侧对称设置短路枝节第二微带线62、第三微带线63、第四微带线64、第五微带线65与接地层U型缝隙耦合，在高频带外产生增益零点形成滤波特性，抑制天线的高频带外辐射特性。
本发明通过在所述微带64、65上开设阶跃阻抗变换微带641、651的方式，用来精确控制高频带外增益零点的位置。
本领域的技术人员容易理解，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 (4)

1.一种缝隙耦合的滤波天线，其特征在于，包括馈电网络层(6)、第一介质基板(1)、接地层(4)、第二介质基板(2)、矩形寄生贴片(5)；
所述第一介质基板(1)位于第二介质基板(2)的正下方，且两者间预留空气层(3)；所述第一介质基板(1)用于固定馈电网络层(6)和接地层(4)；所述第二介质基板(2)用于固定矩形寄生贴片(5)；
所述馈电网络层(6)位于第一介质基板(1)的底层，用于传输信号能量；
所述接地层(4)位于第一介质基板(1)的顶层，并其上设置有缝隙，所述接地层(4)用于将馈电网络层(6)的能量耦合至顶层矩形寄生贴片(5)中；
所述矩形寄生贴片(5)位于第二介质基板(2)的顶层，作为天线的辐射单元用于向自由空间辐射能量；
其中，所述馈电网络层包括第一微带线(61)、第二微带线(62)、第三微带线(63)、第四微带线(64)、第五微带线(65)、第六微带线(66)和第七微带线(67)；
所述第一微带线(61)为第二微带线(62)与第三微带线(63)、第四微带线(64)与第五微带线(65)的对称轴，用于传输信号能量；
所述第六微带线(66)和第七微带线(67)为第一微带线(61)的双分支，用于控制微带馈线中的耦合量；
所述第二微带线(62)与第三微带线(63)以第一微带线(61)为对称轴连接在两侧，并与接地层(4)连接形成短路枝节，用于与接地层(4)上的缝隙耦合产生高频带外增益零点，抑制带外辐射；
所述第四微带线(64)与第五微带线(65)以第一微带线(61)为对称轴连接在两侧，并与接地层(4)连接形成短路枝节，用于与接地层(4)上的缝隙耦合产生高频带外增益零点，抑制带外辐射。
2.如权利要求1所述的滤波天线，其特征在于，所述矩形寄生贴片(5)关于第一微带线(61)对称，用于与所述接地层(4)中的缝隙电磁耦合，在低频带外产生一个增益零点，同时在通带内引入谐振模式展宽滤波天线的带宽。
3.如权利要求1所述的滤波天线，其特征在于，所述第四微带线(64)包含第八微带线(641)和第九微带线(642)，所述第五微带线(65)包含第十微带线(651)和第十一微带线(652)；所述第八微带线(641)与第十微带线(651)以第一微带线(61)为对称轴对称分布，用于与接地层(4)缝隙进行电磁耦合，可通过调节微带线的长度控制高频带外零点的位置；所述第九微带线(642)与第十一微带线(652)以第一微带线(61)为对称轴对称分布，用于调节带内匹配。
4.如权利要求1～3中任一滤波天线，其特征在于，所述接地层设置有第一U型缝隙(41)和第二U型缝隙(42)，所述第一U型缝隙(41)开口向下，所述第二U型缝隙(42)开口向上，均关于第一微带线(61)对称，用于将能量耦合至第二介质基板(2)的顶层矩形寄生贴片(5)，及与所述第二微带线(62)、第三微带线(63)、第四微带线(64)、第五微带线(65)进行电磁耦合产生高频带外增益零点。
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