CN113300108A - 一种双极化宽阻带滤波天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双极化宽阻带滤波天线，该双极化宽阻带滤波天线包含上下两个辐射单元、馈电网络和一个基片集成波导谐振腔，两个辐射单元均为正方形金属贴片，馈电网络采用耦合馈电方式，其传输线采用带状线，通过馈电网络中引入的谐振器和带阻滤波器，以及下贴片上蚀刻的4个U形缝隙，实现了宽阻带的滤波特性。上贴片由单层印制电路板工艺实现，下贴片和馈电网络由多层印制电路板工艺实现。采用本发明提供的双极化宽阻带滤波天线结构可以实现宽工作带宽、宽滤波阻带、高端口隔离度、高带外抑制、低交叉极化、高前后比和良好的带内增益平坦度，并且该双极化宽阻带滤波天线具有结构紧凑、体积小、易于与射频前端电路集成的优点。
Description
技术领域
本发明涉及电子领域和无线通信技术，尤其涉及一种双极化宽阻带滤波天线。
背景技术
随着移动数据的需求高速增长，无线通信容量亟需增加，因此，无线通信设备的收发通道正迅速增加，通过多输入多输出技术和波束赋形技术扩充无线通信容量，但庞大的收发通道数量也会导致无线通信设备的体积过大。滤波天线将滤波器和天线集成在一个小型模块中，采用滤波天线可以替代部分滤波器从而减少通信设备中的滤波器的数量，从而减小通信设备的体积。因此，滤波天线在无线通信中具有广泛的应用场景。
在滤波天线领域，已经出现了一系列技术成果。近年来，能够同时产生两个极化方向相互垂直的电磁波的双极化滤波天线正逐渐被相关研究人员所关注，然而，就已公开的相关双极化滤波天线结构而言，仍然存在着以下两个问题。
1、双极化滤波天线的阻带宽度普遍较窄，目前已公开的大部分双极化滤波天线的阻带最高频率与工作中心频率之比一般在1.5左右，限制了其抗高频干扰和抑制杂散发射的能力，导致通信设备中可减少的滤波器的数量较少。
2、双极化滤波天线普遍需要数个部件，结构不够紧凑，大部分双极化滤波天线包括了反射板、辐射单元电路板以及两个极化对应的馈电网络电路板或金属柱，不够紧凑的天线结构会增大通信设备的体积，并且不利于天线与射频前端电路的集成和连接。
发明内容
技术问题:为解决上述问题，本发明提供了一种双极化宽阻带滤波天线的结构，具有宽工作带宽、宽滤波阻带、高端口隔离度、高带外抑制、低交叉极化、高前后比和良好的带内增益平坦度，并且该双极化宽阻带滤波天线具有结构紧凑、体积小、易于与射频前端电路集成的优点。
技术方案：本发明的一种双极化宽阻带滤波天线包含上、下两个辐射单元；其中，上辐射单元即上电路板包括介质基片和位于介质基片下面的金属层；下辐射单元即下电路板包含层次结构从上至下依次设置的顶部金属层，第一层介质基片，上地平面，粘贴介质层，带状线层，第二层介质基片，下地平面，馈电输入端口半孔和接地半孔从上到下分别连接顶部金属层、上地平面，带状线层、下地平面。
所述上辐射单元的金属层为正方形金属贴片，位于介质基片的中央；下辐射单元中的顶部金属层为刻蚀有第一U形缝隙、第二U形缝隙、第三U形缝隙、第四U形缝隙共4个U形缝隙的正方形金属贴片，在顶部金属层的中央4个U形缝隙关于下辐射单元的中线轴对称，开口均朝向下辐射单元的4个边，它们距离下辐射单元的中心的长度相等，并且它们的中间段的长度也相等，相对的两个U形缝隙的两臂长度相等。
所述上地平面蚀刻有第一H形耦合缝隙、第二H形耦合缝隙，该两个H形耦合缝隙在平面上均关于所述下辐射单元的横向中线轴对称，它们的中间段均与其正下方的带状线相互垂直，且关于该带状线对称。
所述带状线层上设有第一馈电网络、第二馈电网络，第一馈电网络竖向设置，第二馈电网络横向设置；第一馈电网络输入端位于带状线层下部的边缘，在该边缘处设有第一馈电输入端口半孔、第一接地半孔，在该边缘内的第一馈电网络两侧分别设有第一接地孔，在第一馈电网络的上端设有第一谐振器，在第一谐振器的上部设有第一金属化通孔，在第一馈电网络的中部设有第一带阻滤波器；第二馈电网络输入端位于带状线层中部的边缘，在该边缘处设有第二馈电输入端口半孔，第二接地半孔，在该边缘内的第二馈电网络两侧分别设有第二接地孔，在第二馈电网络上靠近第一带阻滤波器处设有第二谐振器，在第二谐振器的上部设有第二金属化通孔，在第二馈电网络的中部设有第二带阻滤波器。
所述第一接地半孔对称分布在第一馈电网络馈电输入端口带状线的两侧；所述第二接地半孔对称分布在第二馈电网络馈电输入端口带状线的两侧，第一馈电输入端口半孔、第一接地半孔、第二馈电输入端口半孔、第二接地半孔作为焊盘，方便与其他电路焊接。
所述的第一带阻滤波器与第二带阻滤波器的结构一样，包含一段刻蚀一个L形缝隙的带状线和一个终端开路的L形枝节，L形缝隙和L形枝节的排布方向相同，L形缝隙的短边长度和L形枝节的短边长度相同，L形缝隙的总长度与L形枝节的总长度均为第一带阻滤波器或第二带阻滤波器阻带中心频率对应波长的1/4左右。
所述的第一谐振器与第一H形耦合缝隙，或第二谐振器与第二H形耦合缝隙的中点之间的带状线长度为该天线工作中心频率对应波长的1/8左右，第一谐振器的第一短路枝节的电长度与第一开路枝节的电长度之和为该天线工作中心频率对应的波长的1/4左右，第二谐振器的第二短路枝节的电长度和第二开路枝节的电长度之和为该天线工作中心频率对应波长的1/4左右。
所述基片集成波导谐振腔为正方形谐振腔，由上地平面、下地平面和排布在所述正方形谐振腔四个边的金属化通孔组成，基片集成波导谐振腔中心与所述下辐射单元的中心重合，基片集成波导谐振腔主模的谐振频率略高于该天线的工作频段，基片集成波导谐振腔相邻通孔的间距不小于工作中心频率对应波长的1/10。
所述的第一馈电网络、第二馈电网络两个馈电网络位于下电路板中，均采用缝隙耦合馈电方式，两个馈电网络的传输线均为带状线，两个馈电网络的带状线共用上下两个地平面；馈电输入端口半孔和接地孔均为金属化通孔，带阻滤波器和带状线位于带状线层，第一谐振器包括一个第一短路枝节和一个第一开路枝节，第二谐振器包括一个第二短路枝节和第二开路枝节，短路枝节和开路枝节均位于带状线层中，第一谐振器的短路枝节由位于该枝节末端的金属化通孔短路到上地平面、下地平面，第二谐振器的短路枝节由位于该枝节末端的金属化通孔短路到上地平面、下地平面；第一馈电输入端口半孔和第二馈电输入端口半孔的信号经一段带状线传输至第一带阻滤波器，第二带阻滤波器，通过带阻滤波器之后再经一段带状线传输至第一谐振器，第二谐振器后反射，第一H形耦合缝隙、第二H形耦合缝隙下方的反射信号与入射信号分别经第一H形耦合缝隙、第二H形耦合缝隙耦合至下辐射单元。
有益效果：采用本发明所述实现的双极化宽阻带滤波天线结构，与现有技术相比，可以实现较宽的阻带即抑制较宽频率范围的接收机干扰和发射机杂散输出，并且结构简单紧凑，尺寸小，剖面低，馈电端口采用半孔使其易于与射频前端电路集成,多个单元组阵时所有的上辐射单元可以用一个电路板实现。
附图说明
图1为双极化宽阻带滤波天线层次结构图；
图2为双极化宽阻带滤波天线上电路板1中金属层4的结构示意图；
图3为双极化宽阻带滤波天线下电路板2中顶部金属层5的结构示意图；
图4为双极化宽阻带滤波天线下电路板2中上地平面7的结构示意图；
图5为双极化宽阻带滤波天线下电路板2中带状线层9结构示意图；
图6为图5中第一带阻滤波器35和第二带阻滤波器36结构示意图；
图7为下地平面11示意图；
图8为双极化宽阻带滤波天线输入端口散射参数仿真结果；
图9为双极化宽阻带滤波天线辐射增益随频率变化仿真结果；
图10为双极化宽阻带滤波天线端口12激励时3.5GHz方向图仿真结果；
图11为双极化宽阻带滤波天线端口15激励时3.5GHz方向图仿真结果。
图中有：上电路板1，下电路板2，介质基片3，金属层4，顶部金属层5，第一层介质基片6，上地平面7，粘贴介质层8，带状线层9，第二层介质基片10，下地平面11，第一馈电输入端口半孔12，第一接地半孔13，第一接地孔14，第二馈电输入端口半孔15，第二接地半孔16，第二接地孔17，第一U形缝隙18、第二U形缝隙19、第三U形缝隙20、第四U形缝隙21，基片集成波导谐振腔22，第一H形耦合缝隙23、第二H形耦合缝隙24，第一馈电网络25、第二馈电网络26，第一谐振器27，第二谐振器28，第一短路枝节29，第一开路枝节30，第一金属化通孔31，第二短路枝节32，第二开路枝节33第二金属化通孔34，第一带阻滤波器35，第二带阻滤波器36，L形缝隙37，L形枝节38。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，都属于本发明保护的范围。
参照附图1-附图7所示，本发明提供了一种双极化宽阻带滤波天线结构，包含上、下两个辐射单元；其中，上辐射单元即上电路板1包括介质基片3和位于介质基片3下面的金属层4；下辐射单元即下电路板2包含层次结构从上至下依次设置的顶部金属层5，第一层介质基片6，第一中间金属层上地平面7，粘贴介质层8，第二中间金属层带状线层9，第二层介质基片10，底部金属层下地平面11，馈电输入端口半孔12和接地半孔13从上到下分别连接顶部金属层5、第一中间金属层上地平面7，第二中间金属层带状线层9、底部金属层下地平面11。
上电路板1和下电路板2中间为空气，上电路板1的金属层4为正方形金属贴片，位于介质基片3的中央；下电路板2中的顶部金属层5中间为刻蚀有第一U形缝隙18、第二U形缝隙19、第三U形缝隙20、第四U形缝隙21共4个U形缝隙的正方形金属贴片，两个金属层4和顶部金属层5间的耦合使本天线相较于只有一个贴片的贴片天线具有更宽的阻抗带宽；4个U形缝隙关于下辐射单元的中线轴对称，其开口均朝向下辐射单元的4个边，它们距离下辐射单元的中心的长度相等，并且它们的中间段的长度也相等，第一U形缝隙18、第三U形缝隙20的两臂长度相等，第二U形缝隙19、第四U形缝隙21的两臂长度相等；4个U形缝隙改变了顶部金属层5的表面电流分布，使天线在高于工作频段的一个频率产生增益零点，加强了高频的阻带抑制，调整第一U形缝隙18、第二U形缝隙19、第三U形缝隙20、第四U形缝隙21的长度可以改变该增益零点的频率。
两个极化分别对应的第一馈电网络25、第二馈电网络26均采用耦合馈电方式，第一馈电网络25竖向设置，第二馈电网络26横向设置，第一馈电网络25、第二馈电网络26的传输线均采用带状线，带状线结构保证了第一馈电网络25、第二馈电网络26和天线外部的电路的高隔离，便于与射频前端电路集成；两个馈电网络的带状线共用上地平面7和下地平面11；上地平面7蚀刻有第一H形耦合缝隙23、第二H形耦合缝隙24，分别对应第一馈电网络25、第二馈电网络26，两个H形耦合缝隙在平面上均关于下辐射单元的横向中线轴对称，它们的中间段均与其正下方的带状线相互垂直，且关于该带状线对称，两个H形耦合缝隙分别将第一馈电网络25、第二馈电网络26的信号耦合至顶部金属层5，第一H形耦合缝隙23在顶部金属层5激励起纵向流向的表面电流，第二H形耦合缝隙24在顶部金属层5激励起横向流向的表面电流，两个流向相互垂直的表面电流产生了两个极化方向相互垂直的电磁波；第一馈电网络25输入端位于第二中间金属层带状线层9下部的边缘，在该边缘处设有第一馈电输入端口半孔12、第一接地半孔13，在该边缘内的第一馈电网络25两侧分别设有第一接地孔14，在第一馈电网络25的上端设有第一谐振器27，在第一谐振器27的上部设有第一金属化通孔31，在第一馈电网络25的中部设有第一带阻滤波器35；第二馈电网络26输入端位于第二中间金属层带状线层9中部的边缘，在该边缘处设有第二馈电输入端口半孔15，第二接地半孔16，在该边缘内的第二馈电网络26两侧分别设有第二接地孔17，在第二馈电网络26上靠近第一带阻滤波器35处设有第二谐振器28，在第二谐振器28的上部设有第二金属化通孔34，在第二馈电网络26的中部设有第二带阻滤波器36；第一接地半孔13对称分布在第一馈电网络25馈电输入端口带状线的两侧；第二接地半孔16对称分布在第二馈电网络26馈电输入端口带状线的两侧，第一馈电输入端口半孔12、第一接地半孔13、第二馈电输入端口半孔15、第二接地半孔16作为焊盘，方便与其他电路焊接，接地半孔和接地孔保证了天线与其他电路连接时良好的共地，；第一带阻滤波器35与第二带阻滤波器36的结构一样，包含一段刻蚀一个L形缝隙37的带状线和一个终端开路的L形枝节38，L形缝隙37和L形枝节38的排布方向相同，L形缝隙37的短边长度和L形枝节38的短边长度相同，L形缝隙37的总长度与L形枝节38的总长度均为第一带阻滤波器35或第二带阻滤波器36阻带中心频率对应波长的1/4左右，将第一带阻滤波器35的阻带中心频率设计成天线的谐波频率，可以有效抑制天线在谐波频率的辐射；第一谐振器27包括一个第一短路枝节29和一个第一开路枝节30，第二谐振器28包括第二短路枝节32和第二开路枝节33，短路枝节和开路枝节均位于第二中间金属层带状线层9中，第一谐振器27的短路枝节29由位于该枝节末端的第一金属化通孔31短路到上地平面7、下地平面11，第二谐振器28的短路枝节32由位于该枝节末端的第二金属化通孔34短路到上地平面7、下地平面11，第一谐振器27与第一H形耦合缝隙23，或第二谐振器28与第二H形耦合缝隙24的中点之间的带状线长度为该天线工作中心频率对应波长的1/8左右，第一谐振器27的第一短路枝节29的电长度与第一开路枝节30的电长度之和为该天线工作中心频率对应的波长的1/4左右，第二谐振器28的第二短路枝节32的电长度和第二开路枝节33的电长度之和为该天线工作中心频率对应波长的1/4左右，为了避免第二谐振器28的开路枝节33与馈电网络25交叉，第二谐振器28的开路枝节33弯折走线，第一谐振器27、第二谐振器28不仅引入了一个频率低于天线工作频段的增益零点，从而加强了低频的阻带抑制，而且能降低高于天线工作频段的频率处的增益，通过调节短路枝节和开路枝节的长度，可以改变增益零点的频率和天线的工作带宽；基片集成波导谐振腔22为正方形谐振腔，由上地平面7、下地平面11和排布在所述正方形谐振腔四个边的金属化通孔组成，基片集成波导谐振腔22中心与下辐射单元的中心重合，基片集成波导谐振腔22主模的谐振频率略高于该天线的工作频段，基片集成波导谐振腔22相邻通孔的间距不小于工作中心频率对应波长的1/10该基片集成波导谐振腔22可以有效抑制上地平面7与下地平面11之间的平板电容模式电磁波，防止平板电容模式电磁波产生的辐射增大天线的交叉极化。
为了验证本发明提供的实现双极化宽阻带滤波天线结构的真实性和可靠性，按照本发明提供的双极化宽阻带滤波天线结构制作了一个工作中心频率为3.5GHz的双极化宽阻带天线实例进行验证，设计的实例天线的上电路板的介质基片采用厚度为0.6mm的FR-4板材，下电路板的第一层介质基片和第三层介质基片都采用厚度为1.6mm的Taconic TLY-5板材，粘贴介质层采用厚度为0.4mm的TU768。附图8-附图11给出了实例天线的相关性能仿真参数，反射系数小于-15dB的阻抗带宽为3.20-3.93GHz，阻抗带宽内端口隔离度大于30dB,0-8GHz内的带外抑制基本大于15dB,交叉极化水平低于-30dB,前后比大于15dB,阻抗带宽内的增益波动小于2dB。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (9)
1.一种双极化宽阻带滤波天线，其特征在于，该滤波天线包含上、下两个辐射单元；其中，上辐射单元即上电路板(1)包括介质基片(3)和位于介质基片(3)下面的金属层(4)；下辐射单元即下电路板(2)包含层次结构从上至下依次设置的顶部金属层(5)，第一层介质基片(6)，上地平面(7)，粘贴介质层(8)，带状线层(9)，第二层介质基片(10)，下地平面(11)，馈电输入端口半孔(12)和接地半孔(13)从上到下分别连接顶部金属层(5)、上地平面(7)，带状线层(9)、下地平面(11)。
2.根据权利要求1所述的双极化宽阻带滤波天线，其特征在于，所述上辐射单元的金属层(4)为正方形金属贴片，位于介质基片(3)的中央；下辐射单元中的顶部金属层(5)为刻蚀有第一U形缝隙(18)、第二U形缝隙(19)、第三U形缝隙(20)、第四U形缝隙(21)共4个U形缝隙的正方形金属贴片，在顶部金属层(5)的中央4个U形缝隙关于下辐射单元的中线轴对称，开口均朝向下辐射单元的4个边，它们距离下辐射单元的中心的长度相等，并且它们的中间段的长度也相等，相对的两个U形缝隙的两臂长度相等。
3.根据权利要求1所述的双极化宽阻带滤波天线结构，其特征在于，所述上地平面(7)蚀刻有第一H形耦合缝隙(23)、第二H形耦合缝隙(24)，该两个H形耦合缝隙在平面上均关于所述下辐射单元的横向中线轴对称，它们的中间段均与其正下方的带状线相互垂直，且关于该带状线对称。
4.根据权利要求1所述的双极化宽阻带滤波天线结构，其特征在于，所述带状线层(9)上设有第一馈电网络(25)、第二馈电网络(26)，第一馈电网络(25)竖向设置，第二馈电网络(26)横向设置；第一馈电网络(25)输入端位于带状线层(9)下部的边缘，在该边缘处设有第一馈电输入端口半孔(12)、第一接地半孔(13)，在该边缘内的第一馈电网络(25)两侧分别设有第一接地孔(14)，在第一馈电网络(25)的上端设有第一谐振器(27)，在第一谐振器(27)的上部设有第一金属化通孔(31)，在第一馈电网络(25)的中部设有第一带阻滤波器(35)；第二馈电网络(26)输入端位于带状线层(9)中部的边缘，在该边缘处设有第二馈电输入端口半孔(15)，第二接地半孔(16)，在该边缘内的第二馈电网络(26)两侧分别设有第二接地孔(17)，在第二馈电网络(26)上靠近第一带阻滤波器(35)处设有第二谐振器(28)，在第二谐振器(28)的上部设有第二金属化通孔(34)，在第二馈电网络(26)的中部设有第二带阻滤波器(36)。
5.根据权利要求1所述的双极化宽阻带滤波天线结构，其特征在于，所述第一接地半孔(13)对称分布在第一馈电网络(25)馈电输入端口带状线的两侧；所述第二接地半孔(16)对称分布在第二馈电网络(26)馈电输入端口带状线的两侧，第一馈电输入端口半孔(12)、第一接地半孔(13)、第二馈电输入端口半孔(15)、第二接地半孔(16)作为焊盘，方便与其他电路焊接。
6.根据权利要求1所述的双极化宽阻带滤波天线结构，其特征在于，所述的第一带阻滤波器(35)与第二带阻滤波器(36)的结构一样，包含一段刻蚀一个L形缝隙(37)的带状线和一个终端开路的L形枝节(38)，L形缝隙(37)和L形枝节(38)的排布方向相同，L形缝隙(37)的短边长度和L形枝节(38)的短边长度相同，L形缝隙(37)的总长度与L形枝节(38)的总长度均为第一带阻滤波器(35)或第二带阻滤波器(36)阻带中心频率对应波长的1/4左右。
7.根据权利要求1所述的双极化宽阻带滤波天线结构，其特征在于，所述的第一谐振器(27)与第一H形耦合缝隙(23)，或第二谐振器(28)与第二H形耦合缝隙(24)的中点之间的带状线长度为该天线工作中心频率对应波长的1/8左右，第一谐振器(27)的第一短路枝节(29)的电长度与第一开路枝节(30)的电长度之和为该天线工作中心频率对应的波长的1/4左右，第二谐振器(28)的第二短路枝节(32)的电长度和第二开路枝节(33)的电长度之和为该天线工作中心频率对应波长的1/4左右。
8.根据权利要求1所述的双极化宽阻带滤波天线结构，其特征在于，所述基片集成波导谐振腔(22)为正方形谐振腔，由上地平面(7)、下地平面(11)和排布在所述正方形谐振腔四个边的金属化通孔组成，基片集成波导谐振腔中心与所述下辐射单元的中心重合，基片集成波导谐振腔主模的谐振频率略高于该天线的工作频段，基片集成波导谐振腔相邻通孔的间距不小于工作中心频率对应波长的1/10。
9.根据权利要求1所述的双极化宽阻带滤波天线，其特征在于，所述的第一馈电网络(25)、第二馈电网络(26)两个馈电网络位于下电路板(2)中，均采用缝隙耦合馈电方式，两个馈电网络的传输线均为带状线，两个馈电网络的带状线共用上下两个地平面；馈电输入端口半孔和接地孔均为金属化通孔，带阻滤波器和带状线位于带状线层(9)，第一谐振器(27)包括一个第一短路枝节(29)和一个第一开路枝节(30)，第二谐振器(28)包括一个第二短路枝节(32)和第二开路枝节(33)，短路枝节和开路枝节均位于带状线层(9)中，第一谐振器的短路枝节由位于该枝节末端的金属化通孔(31)短路到上地平面(7)、下地平面(11)，第二谐振器的短路枝节由位于该枝节末端的金属化通孔(34)短路到上地平面(7)、下地平面(11)；第一馈电输入端口半孔(12)和第二馈电输入端口半孔(15)的信号经一段带状线传输至第一带阻滤波器(35)，第二带阻滤波器(36)，通过带阻滤波器之后再经一段带状线传输至第一谐振器(27)，第二谐振器(28)后反射，第一H形耦合缝隙(23)、第二H形耦合缝隙(24)下方的反射信号与入射信号分别经第一H形耦合缝隙(23)、第二H形耦合缝隙(24)耦合至下辐射单元。
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