CN111585026A - 一种新型陷波天线及无线通信设备 - Google Patents

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崔悦慧
沈国焰
李融林
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Abstract

本发明公开了一种新型陷波天线及无线通信设备，包括天线辐射单元及背腔单元；所述天线辐射单元包括相互贴合设置的上层介质基板及下层介质基板，所述下层介质基板嵌入背腔单元内，上、下层介质基板之间设置辐射缝隙金属层，所述辐射缝隙金属层设置缝隙辐射结构，所述缝隙辐射结构包括四个结构相同的缝隙结构，四个缝隙结构分别设置在下层介质基板的四个象限内，所述四个缝隙结构在下层介质基板的中心处连通，所述四个缝隙结构的中心位置分别设置爪型滤波缝隙结构。

Description

一种新型陷波天线及无线通信设备
技术领域
本发明涉及移动通信领域，具体涉及一种新型陷波天线及无线通信设备。
背景技术
随着无线通信技术的迅猛发展，对于通信系统和通信设备提出小型化、集成化和多功能化的要求。随着芯片集成技术的发展，有源器件集成度越来越高，无源器件成为制约射频系统小型化的主要因素。天线和滤波器是射频前端的重要元件，天线用于实现数据信号和自由空间电磁波的相互转化，完成信号传输的功能。为了提高通信质量，降低信号干扰，通信系统中天线的后端通常连接滤波器，将传输信号中不允许通过的频段的信号进行阻拦，只允许目标频段内的信号通过，从而消除衰减噪声等带外干扰信号，防止信号发生畸变和失真。在传统的射频前端系统中，天线和滤波器是分开设计的，将天线和滤波器直接连接，可能出现阻抗失配，滤波器通带边缘的选择性变差和天线增益恶化的问题。为解决上述问题，需要在天线和滤波器之间额外增加一个阻抗匹配网络来实现最优的阻抗匹配，但这也导致整个射频前端的尺寸和损耗增加。
为进满足通信系统多功能化和高性能化的需求，通信天线需要具有多频/宽频特性。现阶段，在我国，多种移动通信系统制式共存，包括第四代通信系统(4G/LTE系统)及前代通信系统，形成从1710-2690MHz的宽频覆盖，同时ISM频段开放给工业，科学和医学机构使用，应用这些频段无需许可证或费用，其中2.4GHz频段(2400-2484.5MHz)是全世界各国共同的ISM频段，因此在日常通信中可能存在较为复杂的电磁环境，ISM频段的信号可能对移动通信起到严重的干扰作用。
陷波天线可用于解决上述问题，在宽带通信天线设计之初就考虑在ISM频段形成阻带以滤除ISM的信号干扰。陷波天线并非简单的将宽带通信天线和滤波器进行结合，而是将滤波结构作为天线的一部分，扩展天线的设计自由度，进行具有滤波功能的陷波天线一体化设计，可有效降低系统的复杂性，优化通信质量。陷波天线同时具备辐射、阻抗匹配、滤波的能力，并且其结构更紧凑，尺寸更小，具有较高的研究价值。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷，本发明的首要目的是提供一种新型陷波天线，本发明是在天线覆盖1.7GHz-2.7GHz的基础上，通过增加陷波结构来滤除频带内的ISM(2.4GHz-2.48GHz)频段，防止ISM频段对带内信号产生干扰。
本发明的次要目的是提供一种无线通信设备。
本发明的首要目的是采用如下技术方案：
一种新型陷波天线，包括天线辐射单元及背腔单元；所述天线辐射单元包括相互贴合设置的上层介质基板及下层介质基板，所述下层介质基板嵌入背腔单元内，上、下层介质基板之间设置辐射缝隙金属层，辐射缝隙金属层上刻蚀缝隙辐射结构，所述缝隙辐射结构包括四个结构相同的缝隙结构，四个缝隙结构分别设置在下层介质基板的四个象限内，所述四个缝隙结构在下层介质基板的中心处连通，所述四个缝隙结构的中心位置分别设置爪型陷波缝隙结构。
所述缝隙结构为圆弧形缝隙。
所述爪型陷波缝隙结构位于缝隙结构的中间圆形金属片上，爪型开口方向朝向下层介质基板的中心位置。
所述缝隙辐射结构及爪型陷波缝隙结构分别关于下层介质基板的中心点对称。
优选的，还包括设置于上层介质基板上表面的差分馈电结构，所述差分馈电结构由相互垂直的第一馈线及第二馈线构成，两条馈线垂直的交点位于上层介质基板的中心点。
所述腔体单元为矩形腔体。
所述爪型陷波缝隙结构由三条缝隙构成，相邻缝隙夹角为45度。
所述上层介质基板、辐射缝隙金属层及下层介质基板同轴设置。
本发明的次要目的是采用如下技术方案：
一种无线通信设备，包括一种新型陷波天线。
本发明的有益效果：
(1)本发明带宽覆盖1.7GHz-2.7GHz，适用于2G/3G/LTE(4G)系统，同时滤除了ISM频段，减少信号干扰。
(2)本发明结构简单，结构新颖，通过在平面缝隙中设置陷波结构在ISM频段形成辐射阻带，避免在馈线上集成滤波枝节，无需引入寄生结构构造抵消电流。
(3)本发明带陷效果好，在ISM频段形成了辐射和阻抗匹配的阻带，有效减小ISM频段信号的干扰。
(4)本发明结构完全对称，可以良好的实现垂直和水平极化。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的俯视图；
图3是本发明的正视剖面图；
图4是本发明的新型带陷滤波天线的阻抗带宽。
图5是本发明的新型带陷滤波天线的增益。
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1
如图1至图3所示，一种新型陷波天线，为对称结构，包括天线辐射单元1及背腔单元2。所述天线辐射单元1设置在背腔单元2上方。
所述天线辐射单元包括上层介质基板6A及下层介质基板6B，两层介质基板紧密贴合，且中心点位于一条竖直直线上，所述下层介质基板水平嵌入背腔单元内，在下层介质基板的上表面设置辐射缝隙金属层3，在上层介质基板的上表面设置十字形交叉连接的金属馈线，辐射缝隙金属层与上下层介质基板紧密贴合，辐射缝隙金属层、金属馈线和上下层介质基板同轴设置，所述辐射缝隙金属层设置缝隙辐射结构，所述辐射缝隙金属层为正方形，所述缝隙辐射结构包括四个结构相同的缝隙结构，四个缝隙结构分别设置在下层介质基板的四个象限内，所述四个缝隙结构在下层介质基板的中心处连通，四个缝隙辐射结构关于天线辐射单元的中心点对称，使得原始天线为1.7GHz-2.7GHz的差分馈电双极化天线。
所述缝隙结构为圆弧形缝隙，其外边界为水滴形，所述辐射缝隙结构的内边界为圆形，所述缝隙结构为轴对称结构，所述缝隙结构对称轴与正方形的辐射缝隙金属层的对角线重合。所述辐射缝隙由一段沿对称轴方向的金属条切断。
所述圆弧形缝隙结构完全相同，且在中心处相互连通，在两个圆弧形缝隙中间设置金属条，用于隔绝电流影响。单圆弧形缝隙的长度为0.74λ0，其中λ0为该宽带滤波天线中心频率为2.2GHz在自由空间中所对应的波长。
本实施例中圆弧形缝隙也可以是其他形状，只要缝隙长度在0.5λ0和λ0之间。
四个缝隙结构的中间圆形金属片分别设置四个爪型陷波缝隙4A、4B、4C及4D，四个爪型陷波缝隙的结构相同，大小尺寸相同，相对于天线的中心点对称，均蚀刻辐射缝隙所在的平面的贴片上，实现ISM频段的带陷功能。
本实施例中爪型由三条缝隙构成，三条缝隙相邻夹角为45度，爪型的开口方向朝向介质基板的中心位置，三条缝隙中的中间缝隙位于每条象限的对角线上。三条缝隙的长度分别为0.179λc、0.23λc，0.179λc，其中λc为该陷波天线滤除频段ISM频段的中心频率2.44GHz在自由空间中所对应的波长。
爪形缝隙可以看作是垂直和水平的缝隙所组成的L型缝隙集成了一个斜方向的缝隙枝节，L型缝隙造成的电流分布形成的辐射可以在ISM频段抵消圆弧形缝隙的辐射形成辐射零点，斜方向的缝隙主要作用在于调节阻抗，增强阻抗的阻带边缘的频率选择性。
本实施例中，差分馈电结构印制在上层介质基板的上表面，由第一馈线5A馈电时实现水平极化，包括左右两个端口，由第二馈线5B馈电时实现垂直极化，包括上下两个端口。在通带范围内可以实现30dB的隔离度，带外抑制达到13dB。
所述第一馈线及第二馈线相互垂直，交点位于介质基板的中心点。
所述十字形交叉连接的金属馈线可用于激励天线的垂直极化和水平极化辐射，天线用SMA头进行馈电，在辐射缝隙金属层的边缘，辐射馈线用于焊接SMA头的内导体，而SMA头的外导体焊接在辐射缝隙金属层上。
所述腔体单元为矩形腔体，腔体的顶面和天线辐射单元的距离为0.235λ0,约为中心频点所对应自由空间的四分之一波长。
本实施例中上层介质基板及下层介质基板采用高频板材Rogers 5880,厚度为1.55mm，相对介电常数2.2，上层介质基板的尺寸大于下层介质基板，上层介质基板的下底面与金属腔体顶面贴合。
天线辐射单元为平面结构，可实现双极化带宽1.7GHz-2.7GHz，同时滤除ISM频段(2.4GHz-2.48GHz)，回波损耗大于15dB，带外抑制达到13dB。
如图4所示，是本实施例的阻抗带宽，由图4可以得出结论，本发明的双极化天线具有1.7GHz-2.7GHz的阻抗带宽，回波损耗达15dB，同时滤除了ISM频段(2.4GHz-2.48GHz)，并且在带宽上隔离度基本达到30dB以上。
如图5所示，是本实施例的增益，由图5可以得出结论，本发明的双极化天线在ISM频段的增益小于0dB，实现了带陷功能，带内增益基本在7.5dBi以上，带外抑制达到13dB。
本新型陷波天线具有结构新颖，平面结构，制作简单，隔离度高，带外抑制效果好，辐射方向图稳定，增益高等特点。
实施例2
一种无线通信设备，包括一种新型陷波天线。
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 (9)

1.一种新型陷波天线，其特征在于，包括天线辐射单元及背腔单元；
所述天线辐射单元包括相互贴合设置的上层介质基板及下层介质基板，所述下层介质基板嵌入背腔单元内，上、下层介质基板之间设置辐射缝隙金属层，辐射缝隙金属层上刻蚀缝隙辐射结构，所述缝隙辐射结构包括四个结构相同的缝隙结构，四个缝隙结构分别设置在下层介质基板的四个象限内，所述四个缝隙结构在下层介质基板的中心处连通，所述四个缝隙结构的中心位置分别设置爪型陷波缝隙结构。
2.根据权利要求1所述的一种新型陷波天线，其特征在于，所述缝隙结构为圆弧形缝隙。
3.根据权利要求2所述的一种新型陷波天线，其特征在于，所述爪型陷波缝隙结构位于缝隙结构的中间圆形金属片上，爪型开口方向朝向下层介质基板的中心位置。
4.根据权利要求1所述的一种新型陷波天线，其特征在于，所述缝隙辐射结构及爪型陷波缝隙结构分别关于下层介质基板的中心点对称。
5.根据权利要求1所述的一种新型陷波天线，其特征在于，还包括设置于上层介质基板上表面的差分馈电结构，所述差分馈电结构由相互垂直的第一馈线及第二馈线构成，两条馈线垂直的交点位于上层介质基板的中心点。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种新型陷波天线，其特征在于，所述腔体单元为矩形腔体。
7.根据权利要求1所述的一种新型陷波天线，其特征在于，所述爪型陷波缝隙结构由三条缝隙构成，相邻缝隙夹角为45度。
8.根据权利要求1所述的一种新型陷波天线，其特征在于，所述上层介质基板、辐射缝隙金属层及下层介质基板同轴设置。
9.一种无线通信设备，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的一种新型陷波天线。
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