CN112086754A - 一种基于超表面结构的低剖面滤波天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于超表面结构的低剖面滤波天线，包括第一介质层、第二介质层，第一介质层上表面设有超表面结构，第二介质层上表面设有金属地板层、第二介质层下表面设有微带馈线；第一介质层和第二介质层内嵌入有短路探针，超表面结构由7个贴片构成，包括开槽长方形贴片、未开槽长方形贴片、正方形贴片；金属地板层的中心开有阶梯槽；第二介质层下表面的微带馈线通过金属地板上的阶梯槽和第一介质层上表面的超表面结构产生耦合馈电；本发明天线剖面低，结构简单，无馈线损耗，具有好的辐射性能和滤波性能。天线通带内的平均增益可达9dBi，低频带外抑制至少26dB，高频带外抑制至少20dB，总剖面为0.04λ₀。

Description

一种基于超表面结构的低剖面滤波天线

技术领域

本发明涉及微波器件技术领域，具体涉及一种基于超表面结构的低剖面滤波天线。

背景技术

随着无线通信技术的快速发展，各种移动终端设备应运而生，对这些设备来说，天线和滤波器是组成其射频前端的两个不可或缺的器件，同时也占据着设备相当大的空间面积。天线作为电磁波在空间传播的入口与出口，用于发射和接收电磁波信号。滤波器则作为频率选择器用于信道选择、频率选择以及滤除带外不需要的杂散信号，从而有效地提高整个通信系统的抗干扰能力。

合理集成两者，可以在保证性能同时，降低设备的系统面积。传统的设计方法是将两者分别单独设计，然后通过匹配电路将两者进行连接，这无疑会增加电路的尺寸和损耗。为了改善面积和损耗，研究者们尝试将天线和滤波器联合设计，即将滤波器的输出端口和天线的输入端口进行连接，或者将多阶滤波器电路的最后一级谐振器用天线辐射结构进行替换，这种方法相比传统方法，能够在一定程度上降低前端尺寸和系统损耗，但是改善程度有限。

在此基础上，又出现了基于融合设计思想设计的滤波天线，这种天线不仅能够产生好的滤波效果，更重要的是它能够有效减少射频前端的尺寸和损耗，提升设备的整体性能。根据有无滤波电路，可以将此类滤波天线分为两种，第一种是将滤波电路加载到天线馈电网络或者天线结构中，使天线产生滤波效果；第二种是不加滤波电路，通过改变天线结构使其产生滤波效果。第二种滤波天线由于不存在滤波电路所以基本不存在插入损耗。

目前，已有很多文献提出了多种基于融合设计思想的第二种滤波天线的设计方法，包括在天线中加载短路探针、槽线、寄生单元等等。以上方法通常被天线设计者采用多组结合的方式，设计出性能优良的滤波天线。但是其中一些方法会使得天线存在剖面较高，设计结构复杂和通带辐射性能变差等缺点。因此，研究新的设计滤波天线的方法，设计低剖面、结构简单的滤波天线具有很重要的研究意义。

发明内容

鉴于上述情况，本发明的目的在于提供一种基于超表面结构的低剖面、结构简单的滤波天线。本发明能够利用简单的超表面结构，在保证天线低剖面同时，使天线获得好的辐射和滤波性能。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种基于超表面结构的低剖面滤波天线，包括第一介质层4，第一介质层4下方的第二介质层6，第一介质层4上表面设有超表面结构，第二介质层6上表面设有金属地板层5、第二介质层下表面设有微带馈线7；第一介质层和第二介质层内嵌入有短路探针8，

所述超表面结构由7个贴片构成，包括位于超表面结构中心位置的一个开槽长方形贴片3，开槽长方形贴片3中心为短路探针8、开槽长方形贴片3上的短路探针8左右两侧对称设置一个相同的矩形槽9，开槽长方形贴片3左右两侧对称设置一个未开槽长方形贴片2，超表面结构外围的四个角处分别设有一个正方形贴片1；未开槽长方形贴片2的宽度和正方形贴片1的边长相同；开槽长方形贴片3的宽度和和正方形贴片1的边长相同，未开槽长方形贴片2的长度和开槽长方形贴片3的长度相同；

所述金属地板层5的中心开有阶梯槽10，阶梯槽10为十字形，包括中间的竖直槽101、垂直于竖直槽的水平槽102，竖直槽101的宽度大于水平槽102；

所述第二介质层6下表面的微带馈线7通过金属地板上的阶梯槽10和第一介质层上表面的超表面结构产生耦合馈电；

所述短路探针8穿过第一介质层和第二介质层的正中心，短路探针8的顶端接触第一介质层上表面的超表面结构，短路探针8的底端接触第二介质层下表面的微带馈线7，短路探针8不接触第二介质层上表面的金属地板层5；

所述第二介质层下表面的微带馈线7通过短路探针8和第一介质层上表面的超表面结构产生接触馈电。

作为优选方式，第一介质层4是介电常数为2.2的聚四氟乙烯PCB板F4BM_2，厚度h₁＝3.1mm，长度L＝100mm，宽度W＝95mm。

作为优选方式，正方形贴片1的边长w₁＝18.5mm，正方形贴片1和未开槽长方形贴片2之间的间距t＝1mm，未开槽长方形贴片2的长度L₁＝21.5mm，开槽长方形贴片3的宽度w₁＝18.5mm，长度L₁＝21.5mm，未开槽长方形贴片2和开槽长方形贴片3之间的间隔t也是1mm。

作为优选方式，开槽长方形贴片3上的两个矩形槽9的宽度w₂都是2mm，长度L₂都是8.5mm，两个矩形槽9之间的间距d＝2mm。

作为优选方式，第二介质层6是介电常数为2.2的聚四氟乙烯PCB板F4BM_2，其高度是h₂＝0.7mm，长度L＝100mm，宽度W＝95mm。

作为优选方式，金属地板层5的长度L＝100mm，宽度W＝95mm，金属地板层中间的阶梯槽10用于实现耦合馈电及阻抗匹配，其中阶梯槽10的竖直槽101的宽度w₃＝1.1mm，长度L₃＝1.7mm，水平槽102的宽度w₄＝0.4mm，长度L₄＝6.95mm。

作为优选方式，微带馈线7的长度L_f＝58.75mm，宽度W_f＝2.1mm。

本发明的原理为：通过特征模理论分析原始超表面结构，观察特定频率范围内不同模式的表面电流分布特点，发现通过改变超表面结构中部分贴片(电流分布很强)的结构尺寸，删除掉某些贴片(电流分布很强)，或者在某些贴片上开槽，可以改变超表面结构的表面电流分布，再结合合理的馈电结构，成功抑制掉不想要的高次模式，实现天线的高频滤波特性。通过短路探针实现低频滤波特性，最终获得高性能、低剖面的滤波天线。

本发明的有益效果为：滤波天线设计的主要挑战是如何设计出结构简单、低剖面及性能优的滤波天线。本发明设计了一种基于超表面的低剖面滤波天线，通过特征模分析简化设计过程，利用简单的超表面结构即可获得好的高频滤波特性，低频滤波特性则通过一根短路探针实现。该天线剖面低，结构简单，无馈线损耗，具有好的辐射性能和滤波性能。天线通带内的平均增益可达9dBi，低频带外抑制至少26dB，高频带外抑制至少20dB，总剖面为0.04λ₀。

附图说明

图1是本发明的一种基于超表面结构的低剖面滤波天线结构的侧视图；

图2-1是本发明天线的第一介质层上表面及超表面结构示意图；

图2-2是本发明天线的第二介质层上表面及金属地板示意图；

图2-3是本发明天线的第二介质层下表面及微带馈线示意图；

图3是本发明天线的S₁₁及增益曲线(仿真及测试)；

图4-1是工作在3.3GHz时，本发明天线的辐射方向图；

图4-2是工作在3.6GHz时，本发明天线的辐射方向图；

图4-3是工作在3.9GHz时，本发明天线的辐射方向图；

图5-1是实施例步骤一对应的超表面结构示意图；

图5-2是实施例步骤一对应的超表面结构组成的天线的S₁₁及增益曲线；

图6-1是实施例步骤二对应的超表面结构示意图；

图6-2是实施例步骤二对应的超表面结构组成的天线的S₁₁及增益曲线；

图7-1是实施例步骤三对应的超表面结构示意图；

图7-2是实施例步骤三对应的超表面结构组成的天线的S₁₁及增益曲线；

1为正方形贴片；2为未开槽长方形贴片；3为开槽长方形贴片；4为第一介质层；5为金属地板层；6为第二介质层；7为微带馈线；8为短路探针，9为矩形槽；10为阶梯槽；101为竖直槽；102为水平槽。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

实施例1

图1是一种超表面结构的低剖面滤波天线结构侧视图；一种基于超表面结构的低剖面滤波天线，包括第一介质层4，第一介质层4下方的第二介质层6，第一介质层4上表面设有超表面结构，第二介质层6上表面设有金属地板层5、第二介质层下表面设有微带馈线7；第一介质层和第二介质层内嵌入有短路探针8。

所述超表面结构由7个贴片构成，包括位于超表面结构中心位置的一个开槽长方形贴片3，开槽长方形贴片3中心为短路探针8、开槽长方形贴片3上的短路探针8左右两侧对称设置一个相同的矩形槽9，开槽长方形贴片3左右两侧对称设置一个未开槽长方形贴片2，超表面结构外围的四个角处分别设有一个正方形贴片1；未开槽长方形贴片2的宽度和正方形贴片1的边长相同；开槽长方形贴片3的宽度和和正方形贴片1的边长相同，未开槽长方形贴片2的长度和开槽长方形贴片3的长度相同；

所述金属地板层5的中心开有阶梯槽10，阶梯槽10为十字形，包括中间的竖直槽101、垂直于竖直槽的水平槽102，竖直槽101的宽度大于水平槽102；

所述第二介质层6下表面的微带馈线7通过金属地板上的阶梯槽10和第一介质层上表面的超表面结构产生耦合馈电；

所述短路探针8穿过第一介质层和第二介质层的正中心，短路探针8的顶端接触第一介质层上表面的超表面结构，短路探针8的底端接触第二介质层下表面的微带馈线7，短路探针8不接触第二介质层上表面的金属地板层5；

所述第二介质层下表面的微带馈线7通过短路探针8和第一介质层上表面的超表面结构产生接触馈电。

短路探针8的直径是d₁＝0.6mm。

本设计在馈电方式上采用微带缝隙耦合馈电，以及短路探针接触馈电两种馈电相结合的方式。第一介质层的上表面是金属地板层，通过金属地板层正中心开设的矩形槽，实现了第二介质层6下表面的微带馈线7和第一介质层4上表面的超表面结构之间的耦合馈电。短路探针处于整个天线的正中心，探针沿着z轴竖直嵌入在两层介质中，并且该探针正好通过金属地板5中间的矩形槽，所以并不接触金属地板5，该短路探针底部接触微带馈线8，顶部接触超表面结构中的贴片3，实现了微带馈线和超表面结构的接触馈电。这两种馈电方式相结合，使得天线在低频的某个频点处产生了辐射相抵(z轴方向上)，进而产生了低频辐射零点。

具体的，本实施例中，第一介质层4是介电常数为2.2的聚四氟乙烯PCB板F4BM_2，厚度h₁＝3.1mm，长度L＝100mm，宽度W＝95mm。。

正方形贴片1的边长w₁＝18.5mm，正方形贴片1和未开槽长方形贴片2之间的间距t＝1mm，未开槽长方形贴片2的长度L₁＝21.5mm，开槽长方形贴片3的宽度w₁＝18.5mm，长度L₁＝21.5mm，未开槽长方形贴片2和开槽长方形贴片3之间的间隔t也是1mm。

开槽长方形贴片3上的两个矩形槽9的宽度w₂都是2mm，长度L₂都是8.5mm，两个矩形槽9之间的间距d＝2mm。

第二介质层6是介电常数为2.2的的聚四氟乙烯PCB板F4BM_2，其高度是h₂＝0.7mm，长度L＝100mm，宽度W＝95mm。

金属地板层5的长度L＝100mm，宽度W＝95mm，金属地板层中间的阶梯槽10用于实现耦合馈电及阻抗匹配，其中阶梯槽10的竖直槽101的宽度w₃＝1.1mm，长度L₃＝1.7mm，水平槽102的宽度w₄＝0.4mm，长度L₄＝6.95mm。

微带馈线7的长度L_f＝58.75mm，宽度w_f＝2.1mm。

图3是本发明天线的S11及增益曲线(仿真和测试的)，测试的10dB工作带宽为20.6％(3.25-3.9GHz)，测试通带内平均增益为9dBi，低频带外抑制大于等于26dB，高频带外抑制大于等于20dB，该天线具有良好的辐射性能和滤波性能。

图4-1、图4-2和图4-3是本发明天线在三种工作频率(3.3GHz、3.6GHz、3.9GHz)下的辐射方向图，从图中可以看出天线在整个通带内具有稳定的辐射方向图。

接下来，将通过图5、图6、图7详细地介绍本发明天线的设计步骤。需要说明的是图5-1、图6-1和图7-1对应的天线结构和本发明中天线结构除了顶层的超表面结构不同，以及未加短路探针，其它的结构(第一介质层、金属地板、第二介质层、微带馈线)全部相同，这是为了保证清晰地看出超表面结构改变对天线高频滤波特性的影响。

图5-1是步骤一对应的原始均匀超表面结构(由3*3均匀辐射贴片构成)示意图，所有贴片都是正方形，边长为w₁＝18.5mm，贴片之间的间距为t＝1mm；图6-1是步骤二对应的超表面结构示意图，即在原始3*3均匀超表面结构基础上，将沿y轴方向的中间三个正方形贴片变为矩形贴片，并去掉了两个正方形贴片，矩形贴片的宽度w1＝18.5mm，长度L₁21.5mm；图7-1是步骤三对应的超表面结构示意图，即在图6-1的基础上在中间的矩形贴片上开了两个等大小的矩形槽。图5-2是对图5-1的超表面结构加上和本发明天线一样的微带缝隙耦合馈电结构得到的S11及增益曲线；图6-2是对图6-1的超表面结构加上和本发明天线一样的微带缝隙耦合馈电结构得到的S11及增益曲线；图7-2是对图7-1的超表面结构加上和本发明天线一样的微带缝隙耦合馈电结构得到的S11及增益曲线。

从图5-2可以看出利用原始均匀超表面结构设计的天线在高频(>4GHz)具有高增益，说明有高次模在高频范围内辐射，为了得到好的高频滤波效果，需要抑制掉这些高次模式。因此设计了图6-1所示的超表面结构，即将沿着y轴方向的三个贴片的边长加长，变成矩形贴片，这样设计可以将高次模式的最强电流分布从中间移到两边，进而通过去掉两边的贴片来抑制高次模。从图6-2的增益曲线可以看出通过贴片加长和贴片删除，高频抑制效果已有明显改善。为了进一步抑制高次模，设计了图7-1所示的超表面结构，在中间的矩形贴片上开两个矩形槽，这样做可以减弱高次模(仍在高频范围内辐射的模式)在中间贴片上的电流强度分布，使得采用微带缝隙耦合馈电形式很难激励起该高次模，因此，可以认为该高次模被抑制掉了。从图7-2的增益曲线可以看出经过两次超表面结构变换，已经获得了很好的高频抑制效果。

需要注意的是改变超表面结构抑制高次模式时，对通带内的主模辐射影响很小，因此通过改变超表面结构抑制高次模，可以成为一种实现滤波天线高频滤波特性的好方法。

需要注意的是改变超表面结构仅得到了高频抑制效果，还需要图1所示的短路探针引入低频辐射零点实现低频带外抑制，而且对比图7-2和图3发现通带内辐射并未受短路探针影响(图3有短路探针，图7-2无短路探针，其余结构一模一样)，说明通过引入短路探针实现低频带外抑制是一种既简单又高效的设计方法。

至此，本发明提出的一种基于超表面结构的低剖面滤波天线设计完成，从图3所示的结果来看，天线具有很好的辐射性能和滤波性能。最重要的是本发明天线提出的天线剖面低、结构简单，设计原理清晰，可以为其他天线设计者提供很好的参考。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种基于超表面结构的低剖面滤波天线，其特征在于：包括第一介质层(4)，第一介质层(4)下方的第二介质层(6)，第一介质层(4)上表面设有超表面结构，第二介质层(6)上表面设有金属地板层(5)、第二介质层下表面设有微带馈线(7)；第一介质层和第二介质层内嵌入有短路探针(8)；

所述超表面结构由7个贴片构成，包括位于超表面结构中心位置的一个开槽长方形贴片(3)，开槽长方形贴片(3)中心为短路探针(8)、开槽长方形贴片(3)上的短路探针(8)左右两侧对称设置一个相同的矩形槽(9)，开槽长方形贴片(3)左右两侧对称设置一个未开槽长方形贴片(2)，超表面结构外围的四个角处分别设有一个正方形贴片(1)；未开槽长方形贴片(2)的宽度和正方形贴片(1)的边长相同；开槽长方形贴片(3)的宽度和和正方形贴片(1)的边长相同，未开槽长方形贴片(2)的长度和开槽长方形贴片(3)的长度相同；

所述金属地板层(5)的中心开有阶梯槽(10)，阶梯槽(10)为十字形，包括中间的竖直槽(101)、垂直于竖直槽的水平槽(102)，竖直槽(101)的宽度大于水平槽(102)；

所述第二介质层(6)下表面的微带馈线(7)通过金属地板上的阶梯槽(10)和第一介质层上表面的超表面结构产生耦合馈电；

所述短路探针(8)穿过第一介质层和第二介质层的正中心，短路探针(8)的顶端接触第一介质层上表面的超表面结构，短路探针(8)的底端接触第二介质层下表面的微带馈线(7)，短路探针(8)不接触第二介质层上表面的金属地板层(5)；

所述第二介质层下表面的微带馈线(7)通过短路探针(8)和第一介质层上表面的超表面结构产生接触馈电。

2.根据权利要求1所述的一种基于超表面结构的低剖面滤波天线，其特征在于：短路探针(8)的直径是d₁＝0.6mm。

3.根据权利要求1所述的一种基于超表面结构的低剖面滤波天线，其特征在于：第一介质层(4)是介电常数为2.2的聚四氟乙烯PCB板F4BM_2，厚度h₁＝3.1mm，长度L＝100mm，宽度W＝95mm。

4.根据权利要求1所述的一种基于超表面结构的低剖面滤波天线，其特征在于：正方形贴片(1)的边长w₁＝18.5mm，正方形贴片(1)和未开槽长方形贴片(2)之间的间距t＝1mm，未开槽长方形贴片(2)的长度L₁＝21.5mm，开槽长方形贴片(3)的宽度w₁＝18.5mm，长度L₁＝21.5mm，未开槽长方形贴片(2)和开槽长方形贴片(3)之间的间隔t也是1mm。

5.根据权利要求1所述的一种基于超表面结构的低剖面滤波天线，其特征在于：开槽长方形贴片(3)上的两个矩形槽(9)的宽度w₂都是2mm，长度L₂都是8.5mm，两个矩形槽(9)之间的间距d＝2mm。

6.根据权利要求1所述的一种基于超表面结构的低剖面滤波天线，其特征在于：第二介质层(6)是介电常数为2.2的聚四氟乙烯PCB板F4BM_2，其高度是h₂＝0.7mm，长度L＝100mm，宽度W＝95mm。

7.根据权利要求1所述的一种基于超表面结构的低剖面滤波天线，其特征在于：金属地板层(5)的长度L＝100mm，宽度W＝95mm，金属地板层中间的阶梯槽(10)用于实现耦合馈电及阻抗匹配，其中阶梯槽(10)的竖直槽(101)的宽度w₃＝1.1mm，长度L₃＝1.7mm，水平槽(102)的宽度w₄＝0.4mm，长度L₄＝6.95mm。

8.根据权利要求1所述的一种基于超表面结构的低剖面滤波天线，其特征在于：微带馈线(7)的长度L_f＝58.75mm，宽度W_f＝2.1mm。

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