CN111883916B - 一种基于双缝馈电结构的宽带低剖面介质贴片滤波天线 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种基于双缝馈电结构的宽带低剖面介质贴片滤波天线，属于无线通信技术领域。包括自下而上依次层叠设置的下介质基板、金属反射地板、上介质基板及介质贴片，下介质基板的下表面设有用于耦合馈电的微带馈线；金属反射地板的表面刻蚀有位置平行的第一耦合缝隙与第二耦合缝隙；第一耦合缝隙的长度小于第二耦合缝隙的长度；第一耦合缝隙设置在金属反射地板的中心线上；第二耦合缝隙设置在第一耦合缝隙与天线输入端之间；微带馈线在金属反射地板上的投影分别与第一耦合缝隙、第二耦合缝隙垂直相交；介质贴片和上介质基板堆叠构成天线的介质贴片谐振器；第一与第二耦合缝隙用于介质贴片谐振器和微带馈线之间的孔径耦合。

Description

一种基于双缝馈电结构的宽带低剖面介质贴片滤波天线

技术领域

本发明具体涉及一种基于双缝馈电结构的宽带低剖面介质贴片滤波天线，属于无线通信技术领域。

背景技术

在传统的通信系统中，天线和滤波器通常设计为两个单独的组件，然后通过匹配的网络连接，这将不可避免地增加系统的体积，从而导致额外的损失和设计的复杂性。为了满足集成化，小型化和低损耗的发展要求，近年来已广泛开发了各种滤波天线。这种天线具有滤波和辐射双重功能，可以有效消除互连匹配网络，实现射频前端电路的小型化。

微带贴片天线由于其优越的特性，如剖面低，重量轻和相对较高的增益，而被广泛应用于滤波天线的设计中。但是微带贴片天线的导体损耗较为严重，从而导致其辐射效率大大降低。为了解决这个问题，近年来，由于具有导体损耗接近零即辐射效率相对较高的优点，介质谐振器滤波天线已经得到了广泛的发展。介质谐振器滤波天线的实现方法主要可以分为三类。第一种方法是设计一个在接口处具有相同阻抗的滤波器和天线，并将它们直接级联。第二种方法是第一种方法的变形，其中天线既充当辐射器又充当滤波器的最后一个谐振器。但是，这两种方法都是级联设计，需要多个谐振器来实现滤波功能，并且多个谐振器的耦合和级联通常占据较大的面积，并且设计复杂。为了简化结构并减小介质谐振器滤波天线的尺寸，近年来，通过使用特殊形状的馈电结构来产生零点的方法受到了广泛的关注。通过该方法实现的介质谐振器滤波天线可以实现良好的滤波性能，而无需任何额外的滤波电路，有效地避免了额外损耗的引入。但是，这些设计基于传统的介质谐振器天线，它比微带贴片天线具有更高的剖面和相对较低的增益。

现在，急需一种能够具备高增益与低剖面的介质贴片滤波天线。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的不足，提出了一种基于双缝馈电结构的宽带低剖面介质贴片滤波天线，一是利用通过调整介质贴片的长宽比，可以使高次模HEM_12&的频率靠近主模TM₁₀₁，以实现天线带宽的扩展；二是高次模TM₁₁₁为不能被激励和不可辐射的模式，以产生高端零点，使用两个尺寸不同的耦合缝隙来激励介质贴片谐振器，两条耦合缝处的电场具有几乎相同的振幅但方向相反，从而产生一个低端零点，位于工作频带两侧的两个辐射零点是可独立控制的，这使得所提出的天线无需任何额外电路即可具有良好的选择性。

本发明为实现上述发明目的，采取的技术方案如下：

一种基于双缝馈电结构的宽带低剖面介质贴片滤波天线，包括自下而上依次层叠设置的下介质基板、金属反射地板、上介质基板及介质贴片，所述下介质基板的下表面设有用于耦合馈电的微带馈线；所述微带馈线在金属反射地板上的投影与金属反射地板相重叠的一端为天线输入端；所述金属反射地板的表面刻蚀有位置平行的第一耦合缝隙与第二耦合缝隙；所述第一耦合缝隙的长度小于第二耦合缝隙的长度；所述第一耦合缝隙设置在金属反射地板的中心线上；所述第二耦合缝隙设置在第一耦合缝隙与天线输入端之间；所述微带馈线在金属反射地板上的投影分别与第一耦合缝隙、第二耦合缝隙垂直相交；所述第一耦合缝隙与第二耦合缝隙均关于微带馈线的中心线相对称；所述介质贴片和上介质基板堆叠构成天线的介质贴片谐振器；所述第一耦合缝隙与第二耦合缝隙，用于介质贴片谐振器和微带馈线之间的孔径耦合。

进一步的作为本发明的优选技术方案，所述天线通过调整介质贴片的长宽比，使高次模HEM_12&的频率靠近主模TM₁₀₁，实现天线带宽的扩展；天线的高次模TM₁₁₁为不能被激励和不可辐射的模式，以产生高端零点；所述尺寸不相等的第一耦合缝隙与第二耦合缝隙用来激励介质贴片谐振器，以产生低端零点；所述高端零点、低端零点均是可独立控制的。

进一步的作为本发明的优选技术方案，所述介质贴片为低剖面矩形介质贴片，通过胶水粘在上介质基板的中心处。

进一步的作为本发明的优选技术方案，所述下介质基板为双面印刷电路板，双面印刷电路板的顶层为所述的金属反射地板，底层为所述的微带馈线。

进一步的作为本发明的优选技术方案，所述微带馈线由靠近天线输入端的50Ω传输线和一段用于匹配的λ/4阻抗变换线组成。

进一步的作为本发明的优选技术方案，所述上介质基板与下介质基板均为RogersRO4003介质基板。

本发明所述的基于双缝馈电结构的宽带低剖面介质贴片滤波天线，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明通过调整介质贴片的长宽比，可以使高次模HEM_12&的频率靠近主模TM₁₀₁，以实现天线带宽的扩展。同时，高次模TM₁₁₁为不能被激励和不可辐射的模式，以产生高端零点，使用两个尺寸不同的耦合缝隙来激励介质贴片谐振器，可以直接产生一个低端零点。位于工作频带两侧的两个辐射零点是可独立控制的，这使得本发明无需任何额外电路即可具有良好的选择性。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的平面结构示意图；

图3为本发明的介质贴片谐振器在不同l_d下的模拟结果示意图；

图4为本发明的的仿真反射系数和增益示意图；

图5为本发明在5.16GHz频率上的仿真方向图；

图6为本发明在6.24GHz频率上的仿真方向图；

附图中，1-介质贴片；2-上介质基板；3-金属反射地板；4-下介质基板；5-第一耦合缝隙；6-第二耦合缝隙；7-微带馈线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如图1与图2所示，本发明公开了一种基于双缝馈电结构的宽带低剖面介质贴片滤波天线，包括自下而上依次层叠设置的下介质基板4、金属反射地板3、上介质基板2及介质贴片1，下介质基板1的下表面设有用于耦合馈电的微带馈线7；微带馈线7在金属反射地板3上的投影与金属反射地板3相重叠的一端为天线输入端；金属反射地板3的表面刻蚀有位置平行的第一耦合缝隙5与第二耦合缝隙6；第一耦合缝隙5的长度小于第二耦合缝隙6的长度；第一耦合缝隙5设置在金属反射地板3的中心线上；第二耦合缝隙6设置在第一耦合缝隙5与天线输入端之间；微带馈线7在金属反射地板3上的投影分别与第一耦合缝隙5、第二耦合缝隙6垂直相交；第一耦合缝隙5与第二耦合缝隙6均关于微带馈线7的中心线对称；介质贴片1和上介质基板2堆叠构成天线的介质贴片谐振器；第一耦合缝隙5与第二耦合缝隙6，用于介质贴片谐振器和微带馈线7之间的孔径耦合。

天线通过调整介质贴片1的长宽比，可以使高次模HEM_12&的频率靠近主模TM₁₀₁，实现天线带宽的扩展；同时，天线的高次模TM₁₁₁为不能被激励和不可辐射的模式，以产生高端零点；尺寸不相等的第一耦合缝隙5与第二耦合缝隙6用来激励介质贴片谐振器，以产生低端零点；高端零点、低端零点均是可独立控制的，使得天线无需任何额外电路即可具有良好的选择性。

介质贴片1为低剖面矩形介质贴片，通过胶水粘在上介质基板2的中心处。下介质基板4为双面印刷电路板，双面印刷电路板的顶层为金属反射地板3，底层为微带馈线7。微带馈线7由靠近天线输入端的50Ω传输线和一段用于匹配的λ/4阻抗变换线组成。上介质基板2与下介质基板4均为Rogers RO4003介质基板。

本发明提出的一种基于双缝馈电结构的宽带低剖面介质贴片滤波天线，实现滤波性能的基本原理是：通过对介质谐振器的本征模仿真发现了可用于后续设计的主模TM₁₀₁模式，高次模HEM_12&和TM₁₁₁模式。主模TM₁₀₁模式和高次模HEM_12&模式可以同时用作介质贴片滤波天线的辐射模式。为了便于后续宽带介质贴片滤波天线的设计，调整介质贴片1的长宽比以使得高次模HEM_12&模式接近于主模TM₁₀₁模式，因此有效地拓展了天线的带宽。根据TM₁₁₁模式的电场分布，由于介质贴片谐振器中心的电场接近于零，因此它不能被激发，同时因为它的电场沿y轴呈反相分布，所以它也是非辐射的。因此可以在TM₁₁₁模式所处的频率处产生一个高端辐射零点。在引入第二耦合缝隙6之后，在增益曲线中会产生一个低端零点，从而导致高选择性和尖锐的滚降。同时，天线的工作频率略有上升，辐射性能几乎保持不变。从零点处电场分布可以发现，第一耦合缝隙5与第二耦合缝隙6处的电场具有几乎相同的振幅但方向相反，从而产生了一个低端辐射零点，因此，所提出的天线无需任何附加电路就可以实现良好的滤波性能。值得一提的是，随着第二耦合缝隙6的参数包括耦合缝长度，耦合缝宽度和与第一耦合缝隙5之间的距离以及介质贴片1的长度的变化，两个零点可实现独立控制。

本发明实施例对天线各部分的尺寸进行优化，具体的天线的参数见下表：

参数	h<sub>1</sub>	h<sub>2</sub>	l<sub>d</sub>	w<sub>d</sub>	h<sub>d</sub>	S	l<sub>s1</sub>	w<sub>s1</sub>	l<sub>s2</sub>	w<sub>s2</sub>
											值(mm)	1.524	0.813	38	25	1.0	4.2	8.6	2.0	24.5	1.0

具体实施时，各个参数具体如下，h₁和h₂分别为上介质基板2和下介质基板4的高度，l_d为介质贴片1的长度，w_d为介质贴片1的宽度，h_d为介质贴片1的厚度，S为两条耦合缝之间的距离，l_s1为第一耦合缝隙5的长度，w_s1为第一耦合缝隙5的宽度，l_s2为第二耦合缝隙6的长度，w_s2为第二耦合缝隙6的宽度。介质贴片1的介电常数为ε_r＝45，损耗角正切为tanδ＝1.9×10^-4，体积为l_d×w_d×h_d。设计中采用的基板是Rogers RO4003，其介电常数为ε_r＝3.38，损耗角正切为tanδ＝2.7×10^-3，体积为L_g×W_g。通过调整第二耦合缝隙6的参数包括耦合缝长度l_s2，耦合缝宽度w_s2和第一耦合缝隙5之间的距离S，以及介质贴片1的长度l_d的变化，两个零点可实现独立控制。图3为本发明的介质贴片谐振器在不同l_d下的模拟结果示意图。

图4为本实例宽带低剖面介质贴片滤波天线的仿真反射系数和增益。反射系数小于-10dB的仿真阻抗带宽为20.1％(5.1-6.24GHz)，带内最大增益为7.9dBi。在5.24GHz频率点的仿真E面和H面辐射方向图如图5所示，在6.12GHz频率点的仿真E面和H面辐射方向图如图6所示。

本发明通过调整介质贴片的长宽比，可以使高次模HEM_12&的频率靠近主模TM₁₀₁，以实现天线带宽的扩展。同时，高次模TM₁₁₁为不能被激励和不可辐射的模式，以产生高端零点。使用两个尺寸不同的耦合缝隙来激励介质贴片谐振器，可以直接产生一个低端零点。位于工作频带两侧的两个辐射零点是可独立控制的，这使得本发明无需任何额外电路即可具有良好的选择性。

以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于双缝馈电结构的宽带低剖面介质贴片滤波天线，包括自下而上依次层叠设置的下介质基板（4）、金属反射地板（3）、上介质基板（2）及介质贴片（1），其特征在于，所述下介质基板（4）的下表面设有用于耦合馈电的微带馈线（7）；所述微带馈线（7）在金属反射地板（3）上的投影与金属反射地板（3）相重叠的一端为天线输入端；所述金属反射地板（3）的表面刻蚀有位置平行的第一耦合缝隙（5）与第二耦合缝隙（6）；所述第一耦合缝隙（5）的长度小于第二耦合缝隙（6）的长度；所述第一耦合缝隙（5）设置在金属反射地板（3）的中心线上；所述第二耦合缝隙（6）设置在第一耦合缝隙（5）与天线输入端之间；所述微带馈线（7）在金属反射地板（3）上的投影分别与第一耦合缝隙（5）、第二耦合缝隙（6）垂直相交；所述第一耦合缝隙（5）与第二耦合缝隙（6）均关于微带馈线(7)在金属反射地板(3)上的投影的中心线相对称；所述介质贴片（1）和上介质基板（2）堆叠构成天线的介质贴片谐振器；所述第一耦合缝隙（5）与第二耦合缝隙（6），用于介质贴片谐振器和微带馈线（7）之间的孔径耦合；

所述天线通过调整介质贴片（1）的长宽比，使高次模HEM_12&的频率靠近主模TM₁₀₁，实现天线带宽的扩展；天线的高次模TM₁₁₁为不能被激励和不可辐射的模式，以产生高端零点；所述尺寸不相等的第一耦合缝隙（5）与第二耦合缝隙（6）用来激励介质贴片谐振器，以产生低端零点；所述高端零点、低端零点均是可独立控制的。

2.根据权利要求1所述的基于双缝馈电结构的宽带低剖面介质贴片滤波天线，其特征在于，所述介质贴片（1）为低剖面矩形介质贴片，通过胶水粘在上介质基板（2）的中心处。

3.根据权利要求1所述的基于双缝馈电结构的宽带低剖面介质贴片滤波天线，其特征在于，所述下介质基板（4）为双面印刷电路板，双面印刷电路板的顶层为所述的金属反射地板（3），底层为所述的微带馈线（7）。

4.根据权利要求3所述的基于双缝馈电结构的宽带低剖面介质贴片滤波天线，其特征在于，所述微带馈线（7）由靠近天线输入端的50Ω传输线和一段用于匹配的λ/4阻抗变换线组成。

5.根据权利要求1所述的基于双缝馈电结构的宽带低剖面介质贴片滤波天线，其特征在于，所述上介质基板（2）与下介质基板（4）均为Rogers RO4003介质基板。

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