CN113889754B - 一种紧凑的单层差分馈电滤波透明天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种紧凑的单层差分馈电滤波透明天线，包括介质基板，以及贴设在介质基板上的金属地板，金属地板上开设的避让槽；介质基板上还贴设有圆形辐射体，圆形辐射体上开设有环形槽，圆形辐射体两侧的介质基板上均贴设有短路枝节，两侧的短路枝节分别与贴设在两侧介质基板上的共面波导差分馈线的一端连接，两侧共面波导差分馈线的另一端分别与位于介质基板侧壁上的差分同轴电缆的内导体连接，差分同轴电缆的外导体与金属地板底板连接；本发明的天线在足够小的尺寸下，有足够的带宽并且在增益曲线上引入了三个辐射零点使得天线有较高的带外抑制水平，同时天线整体也达到了足够大的透明度。

Description

一种紧凑的单层差分馈电滤波透明天线
技术领域
本发明涉及滤波天线领域，具体为一种紧凑的单层差分馈电滤波透明天线。
背景技术
近年来，滤波天线兼具滤波器和天线的功能在通信系统中有显著的优势，即可以减少滤波器和天线之间的互联长度和损耗，在其反射系数和可实现增益上都可以实现滤波响应；而相比与单端滤波天线，差分滤波天线具有谐波抑制、对称辐射特性、高共模抑制水平特性，并且可以避免使用巴伦等转化器件而易于与电路和系统集成；但是目前所报道的差分滤波天线往往需要多层基板才能达到满意的差分滤波性能，这样就不可避免的增加总体结构的厚度总量和设计复杂度。
另一方面透明天线由于其可以在不阻碍光线传播的情况下收发电磁信号而具有越来越广泛的应用，例如汽车挡风玻璃、太阳能电池板、显示器和X波段的卫星应用等。需要天线满足紧凑、重量轻、空间有限、要求高透明度的要求。
发明内容
本发明的目的就是提供一种紧凑的单层差分滤波透明天线，该天线在足够小的尺寸下能够达到较宽的带宽，并且在可实现增益曲线上产生三个辐射零点使得天线具有较高的带外抑制水平，同时天线整体也具有了较高的透明度。
本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，它包括有介质基板，以及贴设在所述介质基板上的金属地板，所述金属地板上开设的避让槽；
所述介质基板上还贴设有圆形辐射体，所述圆形辐射体上开设有环形槽，所述圆形辐射体两侧的介质基板上均贴设有短路枝节，两侧的短路枝节分别与贴设在两侧介质基板上的共面波导差分馈线的一端连接，两侧共面波导差分馈线的另一端分别与位于所述介质基板侧壁上的差分同轴电缆的内导体连接，所述差分同轴电缆的外导体与所述金属地板底板连接；
所述圆形辐射体、短路枝节、共面波导差分馈线均位于所述避让槽内。
进一步，所述圆形辐射体贴设在所述介质基板上表面中心位置，所述环形槽将所述圆形辐射体分割为内侧的圆形辐射贴片，以及外侧的圆环辐射贴片；
所述短路枝节包括扇形圆环，以及连接在所述扇形圆环两端的两个矩形支耳，两个矩形支耳的另一端均与金属地板连接，所述扇形圆环的圆心轴线与所述圆形辐射体的圆心轴线重合；
所述共面波导差分馈线为矩形，所述共面波导差分馈线长度方向的中轴线在竖直方向上的投影与所述介质基板长度方向的中轴线在竖直方向上的投影重合，所述面波导差分馈线的一端与所述扇形圆环的中部连接。
进一步，所述避让槽包括用于避让圆形辐射体、短路枝节的圆形避让槽，以及位于圆形避让槽两侧用于避让共面波导差分馈线的阶梯避让槽，所述阶梯避让槽包括一端与圆形避让槽连接的第一矩形避让槽，所述第一矩形避让槽的另一端与第二矩形避让槽的一端连接，所述第二矩形避让槽贯穿所述金属地板；
所述圆形避让槽的圆心中轴线与所述圆形辐射体的圆心中轴线重合，所述第一矩形避让槽、第二矩形避让槽长度方向的中轴线与所述共面波导差分馈线长度方向的中轴线重合。
进一步，所述金属地板、圆形辐射体、短路枝节、共面波导差分馈线材质均为网格状的铜。
进一步，所述网格状的铜的厚度d为2um，线宽L为5um，线距W为70um。
进一步，所述介质基板材质为康宁Eagle-XG玻璃，相对介电常数为5.27，损耗角正切为0.001，长度sub-l为43mm；宽度sub-w为33mm，厚度H为0.5mm；
所述扇形圆环与所述圆形避让槽之间的间距S1为0.6mm；
所述圆环辐射贴片与扇形圆环之间的间距S2为1.4mm；
所述圆形辐射体的半径R2为11.2mm，所述圆形辐射贴片的半径R1为7.1mm，所述环形槽的宽度S3为0.3mm；
所述共面波导差分馈线的宽度W1为2.4mm；
所述第一矩形避让槽的宽度W2为6.4mm，所述第二矩形避让槽的宽度W3为5.1mm；
所述扇形圆环的宽度W4为0.7mm，所述扇形圆环的扇形夹角a为163°。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
本发明在仅使用一层金属且在较小尺寸的情况下达到了足够的工作带宽并且能够在通带两边产生三个辐射零点以达到良好的滚降率和较高的带外抑制水平，同时在单层结构的基础上采用玻璃作为基板，并且电镀网格状铜来充当导电电极以实现透明效果达到较高的透明度。
附图说明
本发明的附图说明如下。
图1为本发明所述天线结构的三维视图。
图2为本发明所述天线结构的俯视图。
图3为本发明所述天线结构采用的金属网格状俯视图。
图4为本发明所述天线结构采用的金属网格结构的方阻和频率的关系。
图5为本发明所述天线的差模反射系数Sdd11和频率的关系曲线图。
图6为本发明所述天线的总体效率和频率的关系曲线图。
图7为本发明所述天线的可实现增益和频率的关系曲线图。
图8为本发明所述天线E平面、H平面辐射场方向图。图中：1-介质基板；2-金属地板；3-避让槽；31-圆形避让槽；32-阶梯避让槽；321-第一矩形避让槽；322-第二矩形避让槽；4-圆形辐射体；41-圆形辐射贴片；42-圆环辐射贴片；5-环形槽；6-短路枝节；61-扇形圆环；62-矩形支耳；7-共面波导差分馈线；8-差分同轴电缆。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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实施例和简化描述，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，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
如图1-3所示的一种紧凑的单层差分馈电滤波透明天线，包括介质基板1，以及贴设在所述介质基板1上的金属地板2，所述金属地板2上开设的避让槽3；
所述介质基板1上还贴设有圆形辐射体4，所述圆形辐射体4上开设有环形槽5，所述圆形辐射体4两侧的介质基板1上均贴设有短路枝节6，两侧的短路枝节6分别与贴设在两侧介质基板1上的共面波导差分馈线7的一端连接，两侧共面波导差分馈线7的另一端分别与位于所述介质基板1侧壁上的差分同轴电缆8的内导体连接，所述差分同轴电缆8的外导体与所述金属地板2底板连接；
所述圆形辐射体4、短路枝节6、共面波导差分馈线7均位于所述避让槽3内。
作为本发明的一种实施例，所述圆形辐射体4贴设在所述介质基板1上表面中心位置，所述环形槽5将所述圆形辐射体4分割为内侧的圆形辐射贴片41，以及外侧的圆环辐射贴片42；
所述短路枝节6包括扇形圆环61，以及连接在所述扇形圆环61两端的两个矩形支耳62，两个矩形支耳62的另一端均与金属地板2连接，所述扇形圆环61的圆心轴线与所述圆形辐射体4的圆心轴线重合；
所述共面波导差分馈线7为矩形，所述共面波导差分馈线7长度方向的中轴线在竖直方向上的投影与所述介质基板1长度方向的中轴线在竖直方向上的投影重合，所述面波导差分馈线7的一端与所述扇形圆环61的中部连接。
作为本发明的一种实施例，所述避让槽3包括用于避让圆形辐射体4、短路枝节6的圆形避让槽31，以及位于圆形避让槽31两侧用于避让共面波导差分馈线7的阶梯避让槽32，所述阶梯避让槽32包括一端与圆形避让槽31连接的第一矩形避让槽321，所述第一矩形避让槽321的另一端与第二矩形避让槽322的一端连接，所述第二矩形避让槽322贯穿所述金属地板2；
所述圆形避让槽31的圆心中轴线与所述圆形辐射体4的圆心中轴线重合，所述第一矩形避让槽321、第二矩形避让槽322长度方向的中轴线与所述共面波导差分馈线7长度方向的中轴线重合。
作为本发明的一种实施例，所述金属地板2、圆形辐射体4、短路枝节6、共面波导差分馈线7材质均为网格状的铜。
在本发明实例中，通过网格状的铜实现天线的透明化，如图4所示，为对拟采用的网格状铜的波导仿真结果，得到0.15Ω/square的方阻，在仿真天线时对共面波导差分馈线（7）、短路枝节（6）、圆形辐射体（4）和金属地板（2）薄片设置成0.15的方阻进行仿真。
作为本发明的一种实施例，所述网格状的铜的厚度d为2um，线宽L为5um，线距W为70um。
作为本发明的一种实施例，所述介质基板1材质为康宁Eagle-XG玻璃，相对介电常数为5.27，损耗角正切为0.001，长度sub-l为43mm；宽度sub-w为33mm，厚度H为0.5mm；
所述扇形圆环61与所述圆形避让槽31之间的间距S1为0.6mm；
所述圆环辐射贴片42与扇形圆环61之间的间距S2为1.4mm；
所述圆形辐射体4的半径R2为11.2mm，所述圆形辐射贴片41的半径R1为7.1mm，所述环形槽5的宽度S3为0.3mm；
所述共面波导差分馈线7的宽度W1为2.4mm；
所述第一矩形避让槽321的宽度W2为6.4mm，所述第二矩形避让槽322的宽度W3为5.1mm；
所述扇形圆环61的宽度W4为0.7mm，所述扇形圆环61的扇形夹角a为163°。
依照上述参数，使用HFSS对所设计的紧凑的单层差分馈电滤波透明天线的反射系数S11，总体效率，增益，方向图等性能参数进行仿真分析，其分析结果如下：
如图5所示，本天线的-10dB带宽为3.17GHz-3.92GHz，达到21.16的阻抗带宽。
如图6所示，天线的辐射效率整体在60%以上。
如图7所示，天线的可实现增益峰值为2.18dBi，并在工作频带两边有三个辐射零点，使得天线有急剧的滚降率和高的带外抑制水平。
如图8所示，所述天线的交叉极化水平极低。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种紧凑的单层差分馈电滤波透明天线，其特征在于，包括介质基板（1），以及贴设在所述介质基板（1）上的金属地板（2），所述金属地板（2）上开设的避让槽（3）；
所述介质基板（1）上还贴设有圆形辐射体（4），所述圆形辐射体（4）上开设有环形槽（5），所述圆形辐射体（4）两侧的介质基板（1）上均贴设有短路枝节（6），两侧的短路枝节（6）分别与贴设在两侧介质基板（1）上的共面波导差分馈线（7）的一端连接，两侧共面波导差分馈线（7）的另一端分别与位于所述介质基板（1）侧壁上的差分同轴电缆（8）的内导体连接，所述差分同轴电缆（8）的外导体与所述金属地板（2）底板连接；
所述圆形辐射体（4）、短路枝节（6）、共面波导差分馈线（7）均位于所述避让槽（3）内；
所述圆形辐射体（4）贴设在所述介质基板（1）上表面中心位置，所述环形槽（5）将所述圆形辐射体（4）分割为内侧的圆形辐射贴片（41），以及外侧的圆环辐射贴片（42）；
所述短路枝节（6）包括扇形圆环（61），以及连接在所述扇形圆环（61）两端的两个矩形支耳（62），两个矩形支耳（62）的另一端均与金属地板（2）连接，所述扇形圆环（61）的圆心轴线与所述圆形辐射体（4）的圆心轴线重合；
所述共面波导差分馈线（7）为矩形，所述共面波导差分馈线（7）长度方向的中轴线在竖直方向上的投影与所述介质基板（1）长度方向的中轴线在竖直方向上的投影重合，所述面波导差分馈线（7）的一端与所述扇形圆环（61）的中部连接。
2.权利要求1所述的一种紧凑的单层差分馈电滤波透明天线，其特征在于，所述避让槽（3）包括用于避让圆形辐射体（4）、短路枝节（6）的圆形避让槽（31），以及位于圆形避让槽（31）两侧用于避让共面波导差分馈线（7）的阶梯避让槽（32），所述阶梯避让槽（32）包括一端与圆形避让槽（31）连接的第一矩形避让槽（321），所述第一矩形避让槽（321）的另一端与第二矩形避让槽（322）的一端连接，所述第二矩形避让槽（322）贯穿所述金属地板（2）；
所述圆形避让槽（31）的圆心中轴线与所述圆形辐射体（4）的圆心中轴线重合，所述第一矩形避让槽（321）、第二矩形避让槽（322）长度方向的中轴线与所述共面波导差分馈线（7）长度方向的中轴线重合。
3.权利要求1所述的一种紧凑的单层差分馈电滤波透明天线，其特征在于，所述金属地板（2）、圆形辐射体（4）、短路枝节（6）、共面波导差分馈线（7）材质均为网格状的铜。
4.权利要求3所述的一种紧凑的单层差分馈电滤波透明天线，其特征在于，所述网格状的铜的厚度d为2um，线宽L为5um，线距W为70um。
5.权利要求2所述的一种紧凑的单层差分馈电滤波透明天线，其特征在于，所述介质基板（1）材质为康宁Eagle-XG玻璃，相对介电常数为5.27，损耗角正切为0.001，长度sub-l为43mm；宽度sub-w为33mm，厚度H为0.5mm；
所述扇形圆环（61）与所述圆形避让槽（31）之间的间距S1为0.6mm；
所述圆环辐射贴片（42）与扇形圆环（61）之间的间距S2为1.4mm；
所述圆形辐射体（4）的半径R2为11.2mm，所述圆形辐射贴片（41）的半径R1为7.1mm，所述环形槽（5）的宽度S3为0.3mm；
所述共面波导差分馈线（7）的宽度W1为2.4mm；
所述第一矩形避让槽（321）的宽度W2为6.4mm，所述第二矩形避让槽（322）的宽度W3为5.1mm；所述扇形圆环（61）与矩形支耳（62）的宽度W4均为0.7mm，所述扇形圆环（61）的扇形夹角a为163°。
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