CN113224518B - 一种结构紧凑的高增益带通双极化滤波贴片天线 - Google Patents

一种结构紧凑的高增益带通双极化滤波贴片天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种结构紧凑的高增益带通双极化滤波贴片天线，由上至下依次包括间隔距离设置的第三层金属片、上层介质基板及下层介质基板，下层介质基板的下表面设置反射地板，上层介质基板的下表面印刷第一层金属片，其上表面印刷第二层金属片及金属方环。本发明通过在第一层金属片上方寄生多种金属寄生体，在通带两侧引入增益零点，其中第二层金属片控制低频增益零点，金属方环和第三层金属板控制高频零点，不仅实现了带通滤波响应，而且由于增益零点的滚降较高以及不需要级联滤波器的情况下，天线通带边缘辐射效率与中心辐射效率都较高，整体损耗非常小。

Description

一种结构紧凑的高增益带通双极化滤波贴片天线
技术领域
本发明涉及射频通信领域，具体涉及一种结构紧凑的高增益带通双极化滤波贴片天线。
背景技术
多频带基站是移动通信的必需品，对于移动通信的要求很高，天线单元之间的强互耦导致辐射模式急剧退化。这就迫使基站天线系统向小型化、低功耗、多频段的方向发展。为了解决这些问题，有很多种典型方法，例如和全带天线阵列连接一个双工器，或者在不同阵列单元之间利用去耦网络来增强端口和端口之间的隔离。然而，这些方式要求的额外单元不可避免的增大了馈电网络的复杂性和引入了额外的插入损耗。这些问题将会在未来5G天线系统中愈演愈烈。最近，滤波天线单元被用来抑制工作在不同频带的单元间的互耦。当滤波天线单元的带外辐射也被抑制时，就不需要额外的双工器和去耦网络。因此，急需一种小型化、低功耗、具有双边带抑制的滤波天线单元设计的解决方案。
在学术界和工业界中，主要有三种滤波天线的设计方法。第一种是将带通滤波器电路与天线级联，或者把滤波器电路的最后一阶谐振器作为天线的辐射部分；第二种是在天线上引入带阻寄生结构，使得天线工作在某些频率时，信号和能量无法馈入到天线辐射结构，从而实现滤波辐射；第三种是无需任何滤波电路，通过改变天线的辐射体，使定向辐射的天线在主辐射方向的方向图发生变化，在主辐射方向上产生一定的滤波特性。
中国专利申请号201020262758X的实用新型专利公开了一种一体化滤波天线，采用了外加电路的方案进行滤波，在天线上实现了滤波效果，但这种方法会带来外加的滤波器电路引入的插入损耗和尺寸，整个射频前端的尺寸和效率改善不够明显。
中国专利申请号2020105627490的发明专利公开了一种滤波天线，通过两组耦合馈线结构实现了滤波性能，并结合滤波天线本身的模式谐振特性和馈电结构的布局方式达到抑制谐波的效果，但是该天线是单极化，并不适用。
中国专利申请号201811327157X的发明专利公开了一种紧凑高增益双极化差分滤波天线，通过在介质基板下表面印刷V型枝节,所述V型枝节沿介质基板的对角线对称设置；下层金属地板上蚀刻缺陷地结构来实现双边带的滤波，但是该方法带宽较宽，且高频部分滚降较差。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明首要目的是提供一种结构紧凑的高增益带通双极化滤波贴片天线，本发明是一种无需额外滤波电路的、口径更小的、高增益的具有双边带抑制的5G通信双极化天线单元。
本发明次要目的是提供一种通信设备。
本发明采用如下技术方案：
一种结构紧凑的高增益带通双极化滤波贴片天线，由上至下依次包括间隔距离设置的第三层金属片、上层介质基板及下层介质基板，下层介质基板的下表面设置反射地板，上层介质基板的下表面印刷第一层金属片，其上表面印刷第二层金属片及金属方环。
进一步，所述第一层金属片的中间位置开有第一缝隙，所述第一缝隙包括圆形缝隙及十字形缝隙，所述十字形缝隙的四条枝节对称设置在圆形缝隙的圆周。
进一步，所述第二层金属片的中间位置开有第二缝隙，第二缝隙设置在第一缝隙在第二层金属片上表面的相应位置，第二缝隙的结构与第一缝隙结构相同。
进一步，所述第二层金属片设置在金属方环内。
进一步，金属方环四条边的中部向上层介质基板中心处凹陷。
进一步，所述第三层金属片开有一圆形通孔。
进一步，还包括四根金属探针，所述四根金属探针两两一组对称设置在第一层金属片的对角线，
进一步，通过在第一层金属片上方寄生金属方环、第二层金属片及第三层金属片，在通带两侧引入增益零点。
进一步，上层介质基板、下层介质基板、第一层金属片、第二层金属片及第三层金属片均是同轴对称结构。
一种通信设备，包括所述一种结构紧凑的高增益带通双极化滤波贴片天线。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过在馈电贴片上方增加寄生贴片、金属环和金属板，并且通过开缝的方式调节，可以实现很好的带通效果，且通带两侧边沿有陡峭的滚降。
(2)本发明可以通过调整金属片的尺寸、金属方环以及所开的缝隙的大小以控制增益抑制零点的位置从而改变滤波频段。
(3)本发明工作频带宽，高增益，具有双极化的辐射特性，且在通带内方向图波瓣稳定，交叉极化低，不同极化端口的馈电结构几乎完全对称且隔离度较高。
(4)本发明通带外具有高滚降和良好的带外抑制能力的带通滤波效果，实现滤波性能的方式没有带来额外的加工成本且适用面广，并且未引入额外的插损；
(5)本发明结构紧凑，剖面低，而且可使用PCB加工技术，工艺简单，成本低廉；没有额外的滤波电路，损耗低，所以天线的增益较高。
附图说明
图1是本发明的天线结构图；
图2是本发明的俯视图；
图3是本发明的侧视图；
图4(a)和图4(b)分别是本发明上层介质基板的下表面和上表面；
图5是本发明的第三层金属板的结构图；
图6是本发明的仿真的S参数-频率的结果图；
图7是本发明的仿真的增益-频率的结果图；
图8是本发明的仿真的在3.8GHz的﹢45°线极化的方向图；
图9是本发明的仿真的在3.8GHz的-45°线极化的方向图；
图中示出：
1-下层介质基板、2-上层介质基板、3-第三层金属片、4-金属探针、5-第一层金属片、6-金属方环、7-第二层金属片，8-第一缝隙、9-第二缝隙、10-圆形通孔。
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-图3所示，一种结构紧凑的高增益带通双极化滤波贴片天线，该天线为对称结构，由上至下依次包括第三层金属片3、上层介质基板2及下层介质基板1，上述结构均为方形结构，三层结构可以等间距设置,三层结构的间距需要根据匹配和滤波零点的位置而定。
所述下层介质基板的下表面设置反射地板，反射地板为方形，上表面印刷馈电端口。
所述上层介质基板的下表面印刷第一层金属片5，上层介质基板的上表面印刷金属方环6及第二层金属片7，金属方环和第二层金属片位于同层。通过利用两层寄生贴片(金属片)以及寄生环(金属方环)，产生良好的宽带辐射特性以及高滚降的带通滤波效果。
第一层金属片为正方形，其中间位置开有第一缝隙8，第一缝隙由圆形缝隙及十字形缝隙构成，所述圆形缝隙的圆心设置在第一层金属片的中间位置，十字形缝隙的四个枝节，等间距对称设置在圆形缝隙的圆周上，且向第一层金属片的边缘延伸。
第一缝隙8通过延长电流路径，使得天线工作频率往低频移动，实现小型化。
如图4(b)所示，第二层金属片7为正方形，其中间位置开有第二缝隙9，所述第二缝隙同样是由圆形缝隙和十字形缝隙构成，所述第二缝隙位于第一缝隙在第二层金属片的相应位置，其结构与第一缝隙相同，但是尺寸小于第一缝隙。所述圆形缝隙的圆心设置在第二层金属片的中间位置，十字形缝隙的四个枝节，等间距对称设置在圆形缝隙的圆周上，且向第二层金属片的边缘延伸。
所述第一层金属片的边长与所述第二层金属片的边长尺寸相差较大，可以通过所述金属上的缝隙来调整。
所述金属方环与所述的第二层金属片位于同一层，金属方环的四条边中间部分向圆心部分凹陷，所述凹陷形状为矩形，第二层金属片设置在金属方环内。可以实现小型化，金属方环6需要与第一层金属片保持较小的距离，通过调整金属方环与驱动贴片的距离以及其自身尺寸可在高频带外产生增益零点。
所述金属方环尺寸略大于所述第一层金属片。
所述的第三层金属板为正方形，位于最上方，且中间开有圆形通孔10，除了可以实现小型化，还可以调整驱动贴片、第一寄生贴片和第二寄生贴片的耦合量，使得带内增益平坦，同时在高频带外产生增益零点。
本天线通过调整上层介质基板2的厚度、第一缝隙8和第二缝隙9的尺寸，可以改变驱动贴片(第一层金属片)和寄生贴片(第二层金属片)的耦合量，在特定的组合下可在通带的低频带外产生增益零点且带内增益平坦，形成一个好的高通滤波效果。
如图4(a)所示，本天线第一层金属片由四个对称的金属探针馈电，所述四个金属探针4直接接在所述第一层金属片的对角线上，且位于第二层金属片的范围外。
所述的第一层金属片通过对角线上的两个探针同时激励差分信号来实现双极化辐射，四根馈电探针与金属贴片焊接，位于+45°对角线上的一对馈电探针形成﹢45°线极化，另一对角线上的馈电探针构成-45°线极化。
金属方环6与第三层金属板3相作用，提高天线的Q值，可以使得高频带外的增益零点的滚降提高，提高带内高频边缘的辐射效率。
如图6所示，为本实施例的S参数-频率仿真结果图。本实施例的滤波天线的工作带宽覆盖3.3GHz-4.2GHz,并且S11在-15dB以下，实现了工作频段的良好匹配,同时是S12在35dB以下，实现了双极化的高隔离度。
如图7所示，为本实施例的增益-频率仿真结果图。本实施例滤波天线在3.3MHz至4.2MHz频段仿真增益有8.2dB至9.5dB。通带两侧具有高滚降滤波特性，在3.1GHz、4.35GHz、4.5GHz处各有一个零点，虽然零点距离通带较近，但依然实现了带内的高辐射效率，实现了通带边缘的高滚降。
如图8所示，为本实施例的3.8GHz的﹢45°线极化的方向图仿真结果图，方向图主极化方向图没有发生畸变，并且具有比较低交叉极化。
如图9所示，为本实施例的3.8GHz的-45°线极化的方向图仿真结果图，方向图主极化方向图没有发生畸变，并且具有比较低交叉极化。
综上所述，本发明适用于无线移动通信多频基站天线，可以作为工作3.3GHz-4.2GHz的基站天线。由于本发明的滤波特性，特别适用于在开阔复杂的通信场景中。同时受益于滤波特性与辐射特性的集成，以及本发明具有小型化、低剖面特点，本发明也适用于无线移动通信系统设备的一体化和集成化，降低设计要求，提高通信设备抗邻频干扰的能力。
实施例2
一种通信设备，包括如实施例1所述的结构紧凑的高增益带通双极化滤波贴片天线，该天线为对称结构，由上至下依次包括第三层金属片3、上层介质基板2及下层介质基板1，上述结构均为方形结构，三层结构可以等间距设置,三层结构的间距需要根据匹配和滤波零点的位置而定。
本发明基于滤波天线去耦原理，设计了一款无需额外滤波电路的、口径更小的、高增益的带通的5G通信双极化天线单元。
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 (5)

1.一种结构紧凑的高增益带通双极化滤波贴片天线，其特征在于，由上至下依次包括间隔距离设置的第三层金属片、上层介质基板及下层介质基板，下层介质基板的下表面设置反射地板，上层介质基板的下表面印刷第一层金属片，其上表面印刷第二层金属片及金属方环；
所述第二层金属片设置在金属方环内；
金属方环四条边的中部向上层介质基板中心处凹陷；
第一层金属片由四个对称的金属探针馈电，所述四个金属探针设置在所述第一层金属片的对角线上，且位于第二层金属片的范围外；
所述的第一层金属片通过对角线上的两个探针同时激励差分信号来实现双极化辐射，四根馈电探针与金属贴片焊接，位于+45°对角线上的一对馈电探针形成﹢45°线极化，另一对角线上的馈电探针构成-45°线极化；
所述第一层金属片的中间位置开有第一缝隙，所述第一缝隙包括圆形缝隙及十字形缝隙，所述十字形缝隙的四条枝节对称设置在圆形缝隙的圆周；
所述第二层金属片的中间位置开有第二缝隙，第二缝隙设置在第一缝隙在第二层金属片上表面的相应位置，第二缝隙的结构与第一缝隙结构相同。
2.根据权利要求1所述的一种结构紧凑的高增益带通双极化滤波贴片天线，其特征在于，所述第三层金属片开有一圆形通孔。
3.根据权利要求1-2任一项所述的一种结构紧凑的高增益带通双极化滤波贴片天线，其特征在于，通过在第一层金属片上方寄生金属方环、第二层金属片及第三层金属片，在通带两侧引入增益零点。
4.根据权利要求1所述的一种结构紧凑的高增益带通双极化滤波贴片天线，其特征在于，上层介质基板、下层介质基板、第一层金属片、第二层金属片及第三层金属片均是同轴对称结构。
5.一种通信设备，其特征在于，包括如权利要求1-4任一项所述的一种结构紧凑的高增益带通双极化滤波贴片天线。
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