CN113745816B - 一种兼具自去耦和滤波特性的混合模式贴片天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种兼具自去耦和滤波特性的混合模式贴片天线,属于天线去耦技术领域,包括重叠设置的金属地板、介质层和微带层,所述微带层包括辐射贴片和倒F天线,所述倒F天线通过传输线与辐射贴片连接,所述倒F天线包括三个开路枝节和一个短路枝节,用于提供滤波性能和充当隔离器,所述短路枝节通过金属柱与金属地板连接,还包括馈电探针,用于向辐射贴片馈电。本发明具有结构紧凑、兼具自去耦和滤波特性、剖面低的优点。
Description
技术领域
本发明属于天线去耦技术领域,涉及一种兼具自去耦和滤波特性的混合模式贴片天线。
背景技术
在许多现代多天线系统中,例如高密度共享孔径阵列、基站天线和多输入多输出(MIMO)系统,必须在有限空间内紧凑地容纳工作在相同频率或/和不同频率的天线单元。然而,天线元件之间不可避免地会发生严重的相互耦合,这会恶化元件和阵列的阻抗匹配、辐射方向图以及效率等特性。
为了解决这一问题,一方面针对工作在相同频段的单元间的耦合抑制,研究人员提出了一些有效的方法,比如在单元间加载电磁带隙结构,引入缺陷地结构,采用自去耦天线单元等。但是都只能实现同频单元间的耦合抑制。另一方面针对工作在不同频段的单元间的耦合抑制,滤波天线是一个有效方法,但是只能实现异频单元间的耦合抑制。因此,针对多天线系统,存在多个工作在同频和异频的的单元,实现一款兼具自去耦特性和滤波特性的天线是有重要意义的。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种结构紧凑、剖面低、带宽宽、既能实现工作在相同频率单元间的耦合抑制,又能实现工作在不同频率单元间的耦合抑制的兼具自去耦和滤波特性的混合模式贴片天线。
为达到上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种兼具自去耦和滤波特性的混合模式贴片天线,包括重叠设置的金属地板、介质层和微带层,所述微带层包括辐射贴片和倒F天线,所述倒F天线通过传输线与辐射贴片连接,所述倒F天线包括三个开路枝节和一个短路枝节,用于提供滤波性能和充当隔离器,所述短路枝节通过金属柱与金属地板连接,还包括馈电探针,用于向辐射贴片馈电。
进一步,所述辐射贴片呈矩形,所述辐射贴片的下侧设有矩形的槽缝,用于连接传输线。
进一步,所述倒F天线的三个开路枝节不等长、不等宽,通过矩形金属片连接,其中,所述第一开路枝节上侧与传输线连接,下侧与第一金属片连接,所述第一金属片下侧与第二金属片连接,所述第二开路枝节和第三开路枝节均连接在第二金属片的左侧,所述短路枝节连接在第一开路枝节和第二开路枝节之间,所述金属柱连接在短路枝节左侧,所述馈电探针连接在第二金属片上;所述第一开路枝节、第一金属片、第二金属片的右侧均与辐射贴片、传输线的右侧对齐。
进一步,天线中心频点的工作频率波长为λ,低频谐振点和高频谐振点工作频率波长为λ1和λ2;所述辐射贴片长度为Lp,宽度为WP1;所述槽缝长度为LS,宽度为WS,槽缝左边沿与辐射贴片左边沿的距离为LP1,其中,Lp≤0.33λ2。
进一步,所述传输线横向长度不超过辐射贴片的长度,其右边沿与辐射贴片、倒F天线的右边沿对齐。
进一步,所述传输线由四段金属微带线顺次连接构成,宽度都为WML,第一微带线首端通过槽缝与辐射贴片连接,其长度小于槽缝长度,第二微带线首端连接第一微带线尾端,长度为LML1,第三微带线首端连接第二微带线尾端,长度为LML2,第四微带线首端连接第三微带线尾端,长度为LML3,第四微带线尾端连接倒F天线的第一开路枝节。
进一步,所述倒F天线的第一开路枝节的长度为L1,长度为W1,所述第一金属片长度为L0,宽度为H1,提供高频增益零点;第二开路枝节长度为L2,宽度为W2,第三开路枝节长度为L3,宽度为W2,提供低频增益零点;第二开路枝节与第三开路枝节间距为H2,用宽度为W2+H2+W2,长度为LP-L3的第二金属片连接在一起构成U形偶极子谐振器;所述短路枝节长度为LS0,宽度为WS0;所述金属柱的半径为R;其中,L1≤0.25*λ2,L3≥0.25*λ1,R≤WS0/2,LS0=0.14λ,L2=0.5λ1-L3。
本发明的有益效果在于:本发明通过两根不等长的开路枝节组成的U形偶极子用作高Q值辐射器引入低频辐射频点,与贴片辐射频点形成较宽的工作频带,同时提供滤波性能,在U形辐射器的基础上加载一根短路枝节和开路枝节构成一个倒F天线,保留了原有的滤波性能,同时作为有效的自去耦隔离元件。具有结构紧凑、兼具自去耦和滤波特性、剖面低等优点。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述,并且在某种程度上,基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的,或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明作优选的详细描述,其中:
图1是本发明所述兼具自去耦和滤波特性的混合模式贴片天线的立体图;
图2是本发明所述兼具自去耦和滤波特性的混合模式贴片天线的正视图;
图3是本发明所述兼具自去耦和滤波特性的混合模式贴片天线的辐射贴片放大细节图;
图4是本发明所述兼具自去耦和滤波特性的混合模式贴片天线的倒F天线辐射器放大细节图;
图5为本发明所述兼具自去耦和滤波特性的混合模式贴片天线组成二元阵的正视图;
图6为本发明试验例的S参数图;
图7为本发明对试验例天线进行仿真的增益随频率变化的曲线图;
图8为本发明试验例仿真的在4.13GHz的E面辐射方向图;
图9为本发明试验例仿真的在4.13GHz的H面辐射方向图;
图10为本发明试验例的二元阵的仿真S参数图。
附图标记:介质层1、金属地板2、辐射贴片3、传输线4、倒F天线5、馈电探针6、金属柱7、第一开路枝节51、第二开路枝节52、第三开路枝节53、短路枝节54第一金属片55、第二金属片56。
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。需要说明的是,以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想,在不冲突的情况下,以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中,附图仅用于示例性说明,表示的仅是示意图,而非实物图,不能理解为对本发明的限制;为了更好地说明本发明的实施例,附图某些部件会有省略、放大或缩小,并不代表实际产品的尺寸;对本领域技术人员来说,附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件;在本发明的描述中,需要理解的是,若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明,不能理解为对本发明的限制,对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例1
请参阅图1至图5,一种兼具自去耦和滤波特性的混合模式贴片天线,包括金属地板2,介质层1和微带层,还包括金属柱7和馈电探针6。馈电探针6向辐射贴片3馈电;所述介质层1位于金属地板2与微带层之间;所述微带层包括辐射贴片3激励TM01模,一段传输线4和加载枝节的倒F天线5激励倒F天线模式;倒F模式枝节加载辐射器包括三根开路枝节51/52/53和一根短路枝节54,用于提供滤波性能和充当隔离器;所述短路枝节54通过金属柱7与金属地板2连接。
实施例2
在上述结构基础上,所述辐射贴片3呈矩形,贴片下方有一个矩形槽用作传输线4的连接口;所述传输线4连接辐射贴片3和倒F天线5,传输线4右边沿与辐射贴片3和倒F天线5的右边沿对齐。
实施例3
在上述结构基础上,所述传输线4横向长度不超过辐射贴片3的长度;所述倒F天线5的三根不等长、不等宽的开路枝节51/52/53依次用两块不同的矩形金属片55/56连接,第一开路枝节41和两块金属片55/56右边沿对齐,下边沿与第一金属片55上边沿连接在一起,第二开路枝节52和第三开路枝节53右边沿与第二金属片56左边沿连接在一起,短路枝节54位于第一开路枝节51和第二开路枝节52的中间;所述金属柱7位于短路枝节54左边沿。
实施例4
在上述结构基础上,所述馈电探针6连接在第二金属片56上;所述天线中心频点的工作频率波长为λ,低频谐振点和高频谐振点工作频率波长为λ1和λ2;所述贴片长度为Lp,宽度为WP1;所述槽缝长度为LS,宽度为WS,槽缝左边沿距离贴片左边沿距离为LP1,其中,Lp≤0.33λ2;所述辐射贴片3通过槽缝与传输线4连在一起。
实施例5
在上述结构基础上,所述传输线4由四段金属微带线顺次连接构成,宽度都为WML,第一根微带线通过槽缝与贴片连接,长度略小于槽缝长度,第二根微带线首端连接第一根微带线尾端,长度为LML1,第三根微带线首端连接第二根微带线尾端,长度为LML2,第四根微带线首端连接第三根微带线尾端,长度为LML3;所述传输线4一端连接贴片,一端连接倒F天线5。
实施例6
在上述结构基础上,所述倒F天线5第一开路枝节51的长度为L1,长度为W1,第一开路枝节51下边沿连接的第一金属片55长度为L0,宽度为H1,提供高频增益零点;第二开路枝节52长度为L2,宽度为W2,第三开路枝节53长度为L3,宽度为W2,提供低频增益零点;第二开路枝节52与第三开路枝节53间距为H2,用宽度为W2+H2+W2,长度为LP-L3的第二金属片56连接在一起构成U形偶极子谐振器;所述短路枝节54长度为LS0,宽度为WS0,通过金属柱7与金属地板2相连接;所述金属柱7的半径为R;其中,L1≤0.25*λ2,L3≥0.25*λ1,R≤WS0/2,LS0=0.14λ,L2=0.5λ1-L3。
为了进一步论述本发明的有益效果,根据一下实验例进行仿真,结果详见图6至图10。
试验例
一种兼具自去耦和滤波特性的混合模式贴片天线,包括金属地板,介质层和微带层,还包括金属柱和馈电探针。馈电探针向辐射贴片馈电;所述介质层位于金属地板与辐射贴片层之间;所述微带层包括辐射贴片激励TM01模,一段传输线和加载枝节的倒F天线激励倒F天线模式;所述倒F模式枝节加载辐射器包括三根开路枝节和一根短路枝节,用于提供滤波性能和充当隔离器;所述短路枝节通过金属柱与金属地板连接。所述辐射贴片呈矩形,贴片下方有一个矩形槽用作传输线的连接口;所述传输线连接辐射贴片和倒F天线,传输线右边沿与辐射贴片和倒F天线的右边沿对齐。所述传输线横向长度不超过辐射贴片的长度;所述倒F天线的三根不等长、不等宽的开路枝节依次用两块不同的矩形金属片连接,第一根开路枝节和两块金属片右边沿对齐,下边沿与第一块金属片上边沿连接在一起,第二根和第三根开路枝节右边沿与第二块金属片左边沿连接在一起,短路枝节位于第一根和第二根开路枝节的中间;所述金属柱位于短路枝节左边沿。
所述贴片长度为22.3mm,宽度为15mm;所述槽缝长度为3.4mm,宽度为2.4mm,槽缝左边沿距离贴片左边沿距离为11.4mm;所述贴片通过槽缝与传输线连在一起。
所述传输线由四段金属微带线顺次连接构成,宽度都为0.7mm,第一根微带线通过槽缝与贴片连接,长度略小于槽缝长度,第二根微带线首端连接第一根微带线尾端,长度为2.6mm,第三根微带线首端连接第二根微带线尾端,长度为8mm,第四根微带线首端连接第三根微带线尾端,长度为2.1mm;所述传输线一端连接贴片,一端连接倒F天线。
所述倒F天线第一根开路枝节的长度为7.3mm,长度为1.2mm,第一根开路枝节下边沿连接的第一块金属贴片长度为7.2mm,宽度为0.9mm,提供高频增益零点;第二根开路枝节长度为8.0mm,宽度为0.2mm,第三根开路枝节长度为15.8mm,宽度为0.2mm,提供低频增益零点;第二根开路枝节与第三根开路枝节间距为1.3mm,用宽度为1.7mm,长度为6.6mm的第二块金属贴片连接在一起构成U形偶极子谐振器;所述短路枝节长度为10.3mm,宽度为0.6mm,通过金属柱与地板相连接;所述金属柱的半径为0.2mm;
其中,L1≤0.25*λ2,L3≥0.25*λ1,R≤WS0/2,LS0=0.14λ,L2=0.5λ1-L3
其中,LP=22.3,WP=21.6,LP1=11.4,wp1=15,LS=3.4,WS=2.4,WML=0.7,LML1=2.6,LML2=8,LML3=2.1,L0=7.2,L1=7.3,W1=1.2,W2=0.2,L3=15.8,LS0=10.3,WS0=0.6,H1=0.9,H2=1.3,FX=2.1,FY=0.8
图6为试验例的仿真的S参数图,当天线的|S11|<-10dB时,本发明的阻抗带宽范围为4.05~4.17GHz.
图7是对试验例天线进行仿真的增益随频率变化的曲线图。从图中可以看出,天线在宽带范围内获得了6.5dBi的稳定增益,同时带外存在两个很深的增益零点,天线具有良好的滤波特性。
图8至图9为试验例仿真的在4.13GHz的E面和H面辐射方向图。从图中可以看出,获得了边射的辐射方向图。
图10为试验例的二元阵的仿真S参数图,从图中可以看出,两个单元具有相同的阻抗带宽2.9%,在整个频带内,|S12|维持在较低的水平,低于-15.2dB.。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种兼具自去耦和滤波特性的混合模式贴片天线,其特征在于:包括重叠设置的金属地板(2)、介质层(1)和微带层,所述微带层包括辐射贴片(3)和倒F天线(5),所述倒F天线(5)通过传输线(4)与辐射贴片(3)连接,所述倒F天线(5)包括三个开路枝节和一个短路枝节(54),用于提供滤波性能和充当隔离器,所述短路枝节(54)通过金属柱(7)与金属地板(2)连接,还包括馈电探针(6),用于向辐射贴片(3)馈电;
所述倒F天线(5)的三个开路枝节不等长、不等宽,通过矩形金属片连接,其中,第一开路枝节(51)上侧与传输线(4)连接,下侧与第一金属片(55)连接,所述第一金属片(55)下侧与第二金属片(56)连接,第二开路枝节(52)和第三开路枝节(53)均连接在第二金属片(56)的左侧,所述短路枝节(54)连接在第一开路枝节(51)和第二开路枝节(52)之间,所述金属柱(7)连接在短路枝节(54)左侧,所述馈电探针(6)连接在第二金属片(56)上;所述第一开路枝节(51)、第一金属片(55)、第二金属片(56)的右侧均与辐射贴片(3)、传输线(4)的右侧对齐。
2.根据权利要求1所述的兼具自去耦和滤波特性的混合模式贴片天线,其特征在于:所述辐射贴片(3)呈矩形,所述辐射贴片(3)的下侧设有矩形的槽缝,用于连接传输线(4)。
3.根据权利要求2所述的兼具自去耦和滤波特性的混合模式贴片天线,其特征在于:天线中心频点的工作频率波长为λ,低频谐振点和高频谐振点工作频率波长为λ1和λ2;所述辐射贴片(3)长度为Lp,宽度为WP1;所述槽缝长度为LS,宽度为WS,槽缝左边沿与辐射贴片左边沿的距离为LP1,其中,Lp≤ 0.33λ2。
4.根据权利要求1所述的兼具自去耦和滤波特性的混合模式贴片天线,其特征在于:所述传输线(4)横向长度不超过辐射贴片(3)的长度,其右边沿与辐射贴片(3)、倒F天线(5)的右边沿对齐。
5.根据权利要求1所述的兼具自去耦和滤波特性的混合模式贴片天线,其特征在于:所述传输线(4)由四段金属微带线顺次连接构成,宽度都为WML,第一微带线首端通过槽缝与辐射贴片(3)连接,其长度小于槽缝长度,第二微带线首端连接第一微带线尾端,长度为LML1,第三微带线首端连接第二微带线尾端,长度为LML2,第四微带线首端连接第三微带线尾端,长度为LML3,第四微带线尾端连接倒F天线(5)的第一开路枝节(51)。
6.根据权利要求3所述的兼具自去耦和滤波特性的混合模式贴片天线,其特征在于:所述倒F天线(5)的第一开路枝节(51)的长度为L1,长度为W1,所述第一金属片(55)长度为L0,宽度为H1,提供高频增益零点;第二开路枝节(52)长度为L2,宽度为W2,第三开路枝节(53)长度为L3,宽度为W2,提供低频增益零点;第二开路枝节(52)与第三开路枝节(53)节间距为H2,用宽度为W2+H2+W2,长度为LP-L3的第二金属片(56)连接在一起构成U形偶极子谐振器;所述短路枝节(54)长度为LS0,宽度为WS0;所述金属柱(7)的半径为R;其中,L1≤0.25*λ2,L3≥0.25*λ1,R ≤ WS0/2,LS0=0.14λ,L2=0.5λ1-L3。
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