CN113851845B - 一种抑制带内信号的集成滤波双工天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种抑制带内信号的集成滤波双工天线，包括自上而下依次平行设置的辐射层、滤波层和反射层；滤波层上设置有双滤波多时空调制结构。本发明通过设置双滤波多时空调制结构，能够同时抑制带外频率和带内信号，具有高集成化的优点。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别是涉及一种抑制带内信号的集成滤波双工天线。
背景技术
移动通信系统提供独频分双工往往依赖于双工器建立上行和下行信道(工作频率不同)，进而实现全双工通信。进入5G时代以后，移动频谱不断提高，对器件的小型化需求迫切，可集成化的高频器件已成为业内发展趋势。
为抑制带外频率的干扰，移动通信系统中通常使用滤波器来确保带内信号的纯度。传统天线与滤波器独立设计，后期再通过射频线缆连接，结构复杂且集成度低。对于带内信号的干扰抑制，业内通常使用隔离器来实现信号的单向传输，目前常见的隔离器几乎均依赖于铁氧体等磁性材料来打破时间反演对称性实现电磁波的单向传输(即非互易性传输)。然而，磁性材料与集成电路加工工艺不兼容，导致双工天线无法集成化。
发明内容
本发明的目的是提供一种抑制带内信号的集成滤波双工天线，能够同时抑制带外频率和带内信号，具有高集成化的优点。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种抑制带内信号的集成滤波双工天线，包括：
自上而下依次平行设置的辐射层、滤波层和反射层；
所述滤波层上设置有双滤波多时空调制结构。
可选的，所述滤波层，具体包括：
第一介质基板和双滤波多时空调制结构。
所述第一介质基板的顶面上覆盖有铜膜；所述铜膜上设置有方环形空窗；
所述双滤波多时空调制结构设置在所述第一介质基板上。
可选的，
所述辐射层和所述滤波层之间的间距为所述滤波双工天线工作频段中心频率处介质波长的0.125倍；
所述辐射层和所述滤波层之间的间距为所述滤波双工天线工作频段中心频率处介质波长的1/3。
可选的，所述双滤波多时空调制结构，具体包括：
两个单滤波多时空调制结构；
两个所述单滤波多时空调制结构分别设置在所述第一介质基板的相邻的两条边处设置；
所述第一单滤波多时空调制结构，具体包括：
多阶滤波器、L形耦合体和多个时空调制信号馈电电路；
所述L形耦合体穿过所述方环形空窗设置于所述第一介质基板的底面上；所述L形耦合体的长边垂直于所述第一介质基板的边长设置；
所述多阶滤波器垂直于所述L形耦合体的长边设置于所述第一介质基板的底面上；
所述时空调制信号馈电电路设置于所述第一介质基板的顶面；所述时空调制信号馈电电路用于通过设置于所述第一介质基板上的通孔连接多阶滤波器中的多个微带线谐振器。
可选的，所述多阶滤波器，具体包括：
平行设置的多个微带线谐振器；
多个微带线谐振器通过时空调制信号馈电电路串联。
可选的，所述时空调制信号馈电电路，具体包括
变容二极管和电感；
所述变容二极管的阴极与所述电感的一端连接后通过通孔与相邻两个微带线谐振器的第一端或相邻两个微带线谐振器的第二端连接；
所述变容二极管的阳极接地；
所述电感的另一端与时空调制信号馈电电路中的共面波导结构的中心导体带连接。
可选的，
所述变容二极管的型号为Skyworks SMV1234；
所述电感为80nH贴片电感。
可选的，所述辐射层，具体包括：
第二介质基板和辐射贴片；
所述辐射贴片设置于所述第二介质基板的底面。
可选的，
所述第一介质基板和所述第二介质基板均为Rogers RO4003材料，介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027，厚度为0.508mm；
所述反射层为铝合金；厚度为3mm。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种抑制带内信号的集成滤波双工天线，包括自上而下依次平行设置的辐射层、滤波层和反射层；滤波层上设置有双滤波多时空调制结构。本发明通过设置双滤波多时空调制结构，能够同时抑制带外频率和带内信号，具有高集成化的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中抑制带内信号的集成滤波双工天线结构示意图；
图2为本发明实施例中滤波层示意图；
图3为本发明实施例中时空调制信号馈电电路示意图；
图4为本发明实施例中抑制带内信号的集成滤波双工天线在低频段中心频率处的电场强度；
图5为本发明实施例中抑制带内信号的集成滤波双工天线在低频段中心频率处的和电流分布图；
图6为本发明实施例中抑制带内信号的集成滤波双工天线在高频段中心频率处的电场强度；
图7为本发明实施例中抑制带内信号的集成滤波双工天线在高频段中心频率处的和电流分布图；
图8为本发明实施例抑制带内信号的集成滤波双工天线的回波损耗测试曲线；
图9为本发明实施例抑制带内信号的集成滤波双工天线的增益测试曲线；
图10为本发明实施例抑制带内信号的集成滤波双工天线在1.5GHz时的第一辐射方向图测试曲线；
图11为本发明实施例抑制带内信号的集成滤波双工天线在1.5GHz时的第二辐射方向图测试曲线；
图12为本发明实施例非磁性非互易滤波天线在1.8GHz时的第一辐射方向图测试曲线；
图13为本发明实施例非磁性非互易滤波天线在1.8GHz时的第二辐射方向图测试曲线；
附图说明：1-辐射层；2-滤波层；3-反射层。
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种抑制带内信号的集成滤波双工天线，能够同时抑制带外频率和带内信号，具有高集成化的优点。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例中抑制带内信号的集成滤波双工天线结构示意图，如图1，本发明提供了一种抑制带内信号的集成滤波双工天线，包括：
自上而下依次平行设置的辐射层1、滤波层2和反射层3；
滤波层上设置有双滤波多时空调制结构，滤波层结构如图2所示。
滤波层，具体包括：
第一介质基板和双滤波多时空调制结构。
第一介质基板的顶面上覆盖有铜膜；铜膜上设置有方环形空窗；
双滤波多时空调制结构设置在第一介质基板上。
具体的，
辐射层和滤波层之间的间距为滤波双工天线工作频段中心频率处介质波长的0.125倍；
辐射层和滤波层之间的间距为滤波双工天线工作频段中心频率处介质波长的1/3。
具体的，双滤波多时空调制结构，具体包括：
两个单滤波多时空调制结构(分别为图1中的21和22)；
两个单滤波多时空调制结构分别设置在第一介质基板的相邻的两条边处设置；
第一单滤波多时空调制结构，具体包括：
多阶滤波器、L形耦合体和多个时空调制信号馈电电路；
L形耦合体穿过方环形空窗设置于第一介质基板的底面上；L形耦合体的长边垂直于第一介质基板的边长设置；
多阶滤波器垂直于L形耦合体的长边设置于第一介质基板的底面上；
时空调制信号馈电电路设置于第一介质基板的顶面；时空调制信号馈电电路用于通过设置于第一介质基板上的通孔连接多阶滤波器中的多个微带线谐振器。
其中，多阶滤波器，具体包括：
平行设置的多个微带线谐振器；
多个微带线谐振器通过时空调制信号馈电电路串联。
时空调制信号馈电电路示意图如图3，时空调制信号馈电电路，具体包括
变容二极管和电感；
变容二极管的阴极与电感的一端连接后通过通孔与相邻两个微带线谐振器的第一端或相邻两个微带线谐振器的第二端连接；
变容二极管的阳极接地；
电感的另一端与时空调制信号馈电电路中的共面波导结构的中心导体带连接。
其中，
变容二极管的型号为Skyworks SMV1234；
电感为80nH贴片电感。
具体的，辐射层，具体包括：
第二介质基板和辐射贴片；
辐射贴片设置于第二介质基板的底面。
具体的，
第一介质基板和第二介质基板均为Rogers RO4003材料，介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027，厚度为0.508mm；
反射层为铝合金；厚度为3mm。
本发明涉及一种基于时空调制的非磁性非互易滤波双工天线，不依赖磁性材料偏置来实现电磁波传输的非互易性，可以与电路集成兼容。所发明的天线既可以抑制带内频率信号的干扰，也可以抑制带外频率信号的干扰，可以用于频分双工移动通信系统。本发明的技术方案如下：
非磁性非互易滤波双工天线由三层结构组成，即第一层(辐射层)1、第二层(滤波层2)2和第三层(反射层3)，如图1所示。第一层包括介质基板和正方形辐射贴片，正方形辐射贴片在介质基板的背面；第二层包括介质基板、耦合方环形缝隙、滤波结构21和22以及时空调制信号馈电电路，耦合方环形缝隙和时空调制信号馈电电路在介质基板的顶面，滤波结构21和22在介质基板的背面；第三层为金属反射板。
第一层与第二层由空气隔开，两层之间的间距约为天线工作低频段中心频率处的0.08倍自由空间波长；第二层与第三层由空气隔开，两层之间的间距约为天线工作低频段中心频率处的0.125倍自由空间波长。
第一层上的正方形辐射贴片的尺寸约为天线工作低频段中心频率处的0.5倍介质波长，第二层上的耦合方环形缝隙尺寸约为天线工作低频段中心频率处的1/3倍介质波长。
第二层上的滤波结构21和22分别对应频分双工的低频段和高频段，滤波结构21和22均由三阶滤波器和末端L形耦合体组成，末端L形耦合体靠近耦合方环形缝隙内侧进行电磁能量耦合。
滤波结构21和22内的三阶滤波器的三个微带线谐振器一端的末端均交替通过金属化通孔与介质基板顶面上的变容二极管和电感元器件连接，变容二极管另一端与地相连，变容二极管工作在反向偏置状态，电感的另一端与时空调制信号馈电电路中的共面波导结构的中心导体带连接。
时空调制信号馈电电路采用共面波导结构，其与耦合方环形缝隙共同印刷在介质基板的顶面，结构紧凑，有益于器件的集成化。
滤波结构21和22起到滤波器的作用，可以抑制带外频率信号的干扰。
对带内频率信号的抑制，也就是电磁波传输的非互易性由时空调制信号馈电电路所加载的低频调制信号来实现。时空调制实施方法如下：滤波结构21和22所分别对应的三个调制电路依次加载直流偏置电压和低频时变调制信号，并且三路低频调制信号的初始相位不相同，步进相位为直流偏置电压的数值决定变容二极管的电容值，低频调制信号的频率为ωm＝2πfm、相位为/>(i对应于调制端口序号为1、2、3，其中序号1为靠近滤波结构射频馈电侧)。
低频端射频馈电口在滤波结构21处，高频端射频馈电口在滤波结构22处。低频端馈入带内射频信号后，耦合方环形缝隙上的电场主要分布在与y轴平行方向上的两个边上，辐射贴片上的电流沿着x轴方向同相分布，并且电流强度主要分布在与x轴平行方向上的两个边上，如图4-5所示。
高频端馈入带内射频信号后，耦合方环形缝隙上的电场主要分布在与x轴平行方向上的两个边上，辐射贴片上的电流沿着y轴方向同相分布，并且电流强度主要分布在与y轴平行方向上的两个边上，如图6-7所示。
具体的，本发明第一层和第二层的介质基板材料均使用Rogers RO4003材料，介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027，厚度为0.508mm，第三层为铝合金反射板，厚度3mm。低频端中心频率设计为1.5GHz，高频端中心频率设计为1.8GHz。调制电路内变容二极管采用Skyworks SMV1234型号，电感采用80nH贴片电感。
实施例非磁性非互易滤波天线的结构尺寸参数如下，第一层与第二层间距为16mm，第二层与第三层间距为25mm，辐射贴片边长为59.8mm，铝合金反射板边长为96mm。如图2所示，耦合方环形缝隙边长d1＝41.6mm，耦合方环形缝隙宽度t＝1.5mm；低频段滤波结构21第一和第三微带谐振器长度l1＝39.9mm、第二微带谐振器长度为l1＝37.5mm，微带谐振器间间距s1＝0.81mm；高频段滤波结构22第一和第三微带谐振器长度l3＝32.6mm、第二微带谐振器长度为l4＝30.8mm，微带谐振器间间距s2＝0.79mm。如图3所示，时空调制信号馈电电路的共面波导传输线宽w1＝1.8mm，共面波导传输线缝隙g1＝0.2mm。
试验测试中，低频端，调制电路所加载的直流偏置电压为1.2V，低频调制信号频率f_m＝95MHz，步进相位为高频端，调制电路所加载的直流偏置电压为1.1V，低频调制信号频率f_m＝102MHz，步进相位为/>调制电路所加载的直流偏置电压为2.5V，低频调制信号频率fm＝100MHz，步进相位为/>
图9为实施例非磁性非互易滤波天线的增益测试曲线，可见在低频段，天线可以高效发射带内信号，而不能接收带内信号；而在高频段，天线可以高效接收带内信号，而不能发射带内信号。天线在低频段和高频段带内频率发射和接收模式下增益下降20dB，发射和接收非互易。此外，天线在低频段和高频段对带外频率信号的抑制能力均大于25dB，总之天线呈现出良好的对带内和带外频率的抑制能力。
图5为实施例非磁性非互易滤波天线在低频段中心频率1.5GHz时的E面和H面发射和接收方向如图10-11所示，天线辐射方向图为定向波束，并且在主瓣范围内，发射和接收模式下具有20dB的非互易性。
非磁性非互易滤波天线在高频段中心频率1.8GHz时的E面和H面发射和接收方向如图12-13所示，天线辐射方向图为定向波束，同样在主瓣范围内，发射和接收模式下呈现出20dB的非互易性。
综上所述本发明将双工器与天线的功能进行集成得到的滤波双工天线，既可以实现频分双工，又具备天线辐射功能，有益于系统的小型化；引入非互易性后，非磁性非互易滤波天线可以同时抑制带内和带外频率信号的干扰，犹如“双工器+隔离器+天线”，是一种多功能器件；采用时空调制的方法，不依赖磁性材料实现电磁波非互易性传输，非磁性非互易滤波天线具有与集成电路加工工艺兼容的特性，有利于实现移动通信系统的小型化。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (4)
1.一种抑制带内信号的集成滤波双工天线，其特征在于，所述滤波双工天线，包括：
自上而下依次平行设置的辐射层、滤波层和反射层；
所述滤波层上设置有双滤波多时空调制结构；
所述辐射层和所述滤波层之间的间距为所述滤波双工天线工作低频段中心频率处自由空间波长的0.08倍；
所述滤波层和所述反射层之间的间距为所述滤波双工天线工作低频段中心频率处自由空间波长的0.125倍；
所述滤波层，具体包括：
第一介质基板和双滤波多时空调制结构；
所述第一介质基板的顶面上覆盖有铜膜；所述铜膜上设置有方环形空窗；
所述双滤波多时空调制结构设置在所述第一介质基板上；
所述双滤波多时空调制结构，具体包括：
两个单滤波多时空调制结构；
两个所述单滤波多时空调制结构分别设置在第一介质基板的相邻的两条边处设置；
第一单滤波多时空调制结构，具体包括：
多阶滤波器、L形耦合体和多个时空调制信号馈电电路；
所述L形耦合体穿过方环形空窗设置于所述第一介质基板的底面上；所述L形耦合体的长边垂直于所述第一介质基板的边长设置；
所述多阶滤波器垂直于所述L形耦合体的长边设置于所述第一介质基板的底面上；
所述时空调制信号馈电电路设置于所述第一介质基板的顶面；所述时空调制信号馈电电路用于通过设置于所述第一介质基板上的通孔连接多阶滤波器中的多个微带线谐振器；
所述多阶滤波器，具体包括：
平行设置的多个微带线谐振器；
多个微带线谐振器通过时空调制信号馈电电路串联；
所述时空调制信号馈电电路，具体包括：
变容二极管和电感；
所述变容二极管的阴极与所述电感的一端连接后通过通孔与相邻两个微带线谐振器的第一端或相邻两个微带线谐振器的第二端连接；
所述变容二极管的阳极接地；
所述电感的另一端与时空调制信号馈电电路中的共面波导结构的中心导体带连接。
2.根据权利要求1所述的抑制带内信号的集成滤波双工天线，其特征在于，
所述变容二极管的型号为Skyworks SMV1234；
所述电感为80nH贴片电感。
3.根据权利要求1所述的抑制带内信号的集成滤波双工天线，其特征在于，所述辐射层，具体包括：
第二介质基板和辐射贴片；
所述辐射贴片设置于所述第二介质基板的底面。
4.根据权利要求3所述的抑制带内信号的集成滤波双工天线，其特征在于，
所述第一介质基板和所述第二介质基板均为Rogers RO4003材料，介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027，厚度为0.508mm；
所述反射层为铝合金；厚度为3mm。
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