CN114336015B - 馈线滤波天线及通信设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种馈线滤波天线及通信设备，所述天线包括馈线结构和辐射体结构，所述馈线结构作为第一阶谐振器，所述辐射体结构加载在馈线结构上，作为最后一阶谐振器，与馈线结构一起构成二阶滤波器，通过控制第一阶谐振器和最后一阶谐振器之间的耦合实现辐射体结构的带通滤波效应；当实现三阶或以上的馈线滤波天线时，在二阶的馈线滤波天线上耦合额外的谐振器。本发明不仅能有效地滤除了带内及带外干扰，而且该天线的回波损耗、效率与单独天线相比变化不大，且能保证车载天线的水平方向辐射以及增益要求。

Description

馈线滤波天线及通信设备

技术领域

本发明涉及一种馈线滤波天线及通信设备，属于无线移动通信方面的多频基站天线研究领域。

背景技术

近年来，随着现代无线通信系统的快速发展，移动通信所需的频段愈来愈多，导致了当不同频段天线共存于一个狭小空间时，各天线单元之间的强互耦导致天线的性能恶化，并进一步恶化无线通信系统的性能。

例如，现今车联网时代下，车载天线系统中车联网天线与卫星导航天线、2G/3G/4G/5G天线等被集成在一起。这导致了在车载鲨鱼鳍无线通信系统的狭小空间中，存在数量众多的、工作于不同频段的天线，车载通信系统的各天线工作时互相干扰，容易恶化通信质量。为解决此问题，以前多采用提高天线空间隔离度或在额外增加滤波器的方法。但面对应用终端领域中产品尺寸受限，通信频段很多的现状，所述方法具有明显的缺陷，天线的整体尺寸，损耗和辐射特性等不能满足愈来愈高的通信要求。相比之下，将滤波器和天线融合在一起设计的方法较有优势。通信系统中的滤波天线可以在基本不额外增加体积的情况下，提高通信频段间的隔离度，并进一步提高通信质量。因此，在如车载终端等的终端产品中，具有滤波效果的天线将会有很大发展前景。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的缺点与不足，在5G基站的应用背景下，提供了一种馈线滤波天线，该天线不仅能有效地滤除了带内及带外干扰，而且该天线的回波损耗、效率与单独天线相比变化不大，且能保证车载天线的水平方向辐射以及增益要求。

本发明的另一目的在于提供一种通信设备。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种馈线滤波天线，包括馈线结构和辐射体结构，所述馈线结构作为第一阶谐振器，所述辐射体结构加载在馈线结构上，作为最后一阶谐振器，与馈线结构一起构成二阶滤波器，通过控制第一阶谐振器和最后一阶谐振器之间的耦合实现辐射体结构的带通滤波效应；当实现三阶或以上的馈线滤波天线时，在二阶的馈线滤波天线上耦合额外的谐振器。

进一步的，所述馈线结构采用平行双线谐振器，所述平行双线谐振器包括上表面微带线和下表面微带线，所述上表面微带线和下表面微带线的形状和尺寸相同。

进一步的，所述平行双线谐振器的一端被短路，另一端被开路；或者所述平行双线谐振器的两端被短路或开路。

进一步的，所述平行双线谐振器一端被短路，另一端被开路时，在短路端上增加一段四分之一波长开路线，在开路端上增加一段四分之一波长短路线。

进一步的，所述平行双线谐振器两端被短路时，平行双线谐振器高度可调，通过调整高度以控制第一阶谐振器的谐振频率。

进一步的，所述平行双线谐振器与辐射体结构连接，连接处附近的平行双线谐振器线宽可调，通过调整这部分线宽以调制第一阶谐振器和最后一阶谐振器之间的耦合系数。

进一步的，所述馈线滤波天线的馈电结构采用微带线转平行双线的馈电结构，所述微带线位于平行双线谐振器的上表面，通过金属化过孔连接平行双线谐振器的下表面，且所述金属化过孔与平行双线谐振器的上表面无接触。

进一步的，所述馈电结构的金属化过孔高度可调，通过调节馈电结构的金属化过孔高度，以调制平行双线谐振器的外部Q值，从而控制外部能量与平行双线谐振器的耦合。

进一步的，所述辐射体结构为多个，多个辐射体结构从上到下分布，每个辐射体结构相同，且每个辐射体结构的垂直间距为一个波长，实现同相馈电，辐射同向叠加。

进一步的，每个辐射体结构分为上枝节和下枝节，上枝节朝下，下枝节朝上，上枝节和下枝节在工作频带内等效电流同向，共同组成偶极子辐射器。

进一步的，所述上枝节和下枝节的长度小于四分之一波长，且上枝节和下枝节的馈电距离为半波长，共同等效于串联谐振。

进一步的，每个辐射体结构的尺寸可调，通过调节辐射体结构的尺寸，以控制最后一阶谐振器的谐振频率、与第一阶谐振器之间的耦合系数以及辐射Q值。

进一步的，所述辐射体结构的位置可调，通过调整辐射体结构与平行双线谐振器上电流零点的距离，以调整辐射体结构与平行双线谐振器耦合的能量。

进一步的，每两个相邻的辐射体结构之间的中间段平行双线线宽可调，通过调节中间段平行双线，以调节第一阶谐振器和最后一阶谐振器之间的耦合系数和天线辐射Q值，进而控制天线的上副瓣。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种通信设备，包括上述的馈线滤波天线。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明提出的馈线滤波天线可以保证移动通信天线的水平方向辐射性能以及增益要求，既能实现高滚降的滤波特性，又尽量保证不引入额外的插损以及多余的结构带来的占用面积，并在移动通信系统整机中具有明显的异频隔离度提升效果。

2、本发明提出的馈线滤波天线不包括额外的滤波电路，天线结构简单，无额外增加天线体积，具有实际的工程应用价值。

3、本发明将馈线形式的辐射体作为滤波器的最后一阶谐振器，与两端短路的平行双线构成第一阶谐振器共同实现二阶带通滤波响应。该实施例耦合系数可调，进而天线带宽可控制。

4、本发明提出的馈线滤波天线利用在特定的模式下，馈线结构上出现电流零点，在低频引入辐射零点，进一步提高了带外辐射抑制，且在低频5-5.5GHz实现了最低10dB的带外抑制。

5、本发明提出的馈线滤波天线在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，同时在通带内有良好的辐射性能。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。

6、本发明提出的馈线滤波天线最大辐射方向为水平方向，具有良好的高增益全向辐射性能，方向图不圆度较低，水平方向辐射增益较高。

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，下面将对实施例或现有技术描述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1的馈线滤波天线分解结构示意图。

图2为本发明实施例1的馈线滤波天线主视结构图。

图3为本发明实施例1的馈线滤波天线俯视结构图。

图4a~图4b为本发明实施例1的馈线滤波天线等效电路图。

图5a~图5b为本发明实施例1的馈线滤波天线等效电路的对偶网络图。

图6为本发明实施例1的馈线滤波天线的散射参数曲线。

图7为本发明实施例1的馈线滤波天线的增益和效率曲线。

图8为本发明实施例1的馈线滤波天线的水平方向辐射方向图曲线。

图9a~图9b为本发明实施例2的具有N阶谐振的馈线滤波天线等效电路图。

图10为本发明实施例2的馈线滤波天线的主视结构图。

图11为本发明实施例2的馈线滤波天线的散射参数曲线图。

其中，1-微带线，2-第二金属化过孔，3-第一层介质基板，4-半固化片PP层，5-上表面微带线，6-第二层介质基板，7-下表面微带线，8-下辐射体结构，9-中间段平行双线，10-下枝节，11-上辐射体结构，12-上枝节，13-第一金属化过孔，14-平行双线谐振器，15-缝隙。

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。

实施例1：

如图1~图3所示，本实施例提供了一种馈线滤波天线，该天线能够应用于通信设备，该通信设备可以为无线通信系统的接收和发射设备，该天线包括馈线结构和辐射体结构，馈线结构作为第一阶谐振器，辐射体结构加载在馈线结构上，作为最后一阶谐振器，与馈线结构一起构成二阶滤波器，通过控制第一阶谐振器和最后一阶谐振器之间的耦合实现辐射体结构的带通滤波效应；由于本实施例的馈线滤波天线为二阶的馈线滤波天线，因此最后一阶谐振器为第二阶谐振器，第一阶谐振器与第二阶谐振器的谐振特性相反。

本实施例中，馈线滤波天线具有两层介质基板，分别为第一层介质基板3和第二层介质基板6，中间是半固化片PP层4，三层金属结构印刷在介质表面。

进一步地，馈线结构采用平行双线谐振器14，顶端加载有第一金属化过孔13，平行双线谐振器14包括上表面微带线5和下表面微带线7，上表面微带线5和下表面微带线7的形状和尺寸相同，共同组成平行双线谐振器，上表面微带线5和下表面微带线7通过第一金属化过孔13相连，底部可放置在地板上，使上表面微带线5和下表面微带线7接地，上表面微带线5和下表面微带线7通过第二层介质基板6承接。

平行双线谐振器14可以是一端被短路，另一端被开路，也可以是两端被短路或开路，构成并联或者串联谐振；平行双线谐振器14的一端被短路，另一端被开路时，在开路端上增加一段四分之一波长短路线，在短路端上增加一段四分之一波长开路线，不影响原平行双线谐振器14在工作频段内的谐振频率和等效谐振电路，可以有效抑制天线辐射的上副瓣；本实施例中，平行双线谐振器14的两端被短路，平行双线谐振器14高度可调，通过调整高度以控制第一阶谐振器的谐振频率；平行双线谐振器14与辐射体结构连接，连接处附近的平行双线谐振器14线宽可调，通过调整这部分线宽以调制第一阶谐振器和第二阶谐振器之间的耦合系数，进而控制带宽，得到滤波效果，提高带外抑制的同时，基本不影响通带内天线的辐射性能。

进一步地，本实施例的辐射体结构为两个，两个辐射体结构上下对称分布，且两个辐射体结构的垂直间距约为一个波长，实现同相馈电，辐射同向叠加，两个辐射体结构的尺寸可调，通过调节两个辐射体结构的尺寸，以控制第二阶谐振器的谐振频率、与第一阶谐振器（平行双线谐振器14）之间的耦合系数以及辐射Q值；两个辐射体结构分别为上辐射体结构11和下辐射体结构8，每个辐射体结构分为上枝节12和下枝节10，上枝节12朝下，下枝节10朝上，上枝节12和下枝节10在工作频带内等效电流同向，共同组成偶极子辐射器，上枝节12和下枝节10的长度略小于四分之一波长，且上枝节12和下枝节10的馈电距离约为半波长，共同等效于串联谐振；上枝节12和下枝节10的形状可变，例如三角形，扇形等；两个辐射体结构的上枝节12和下枝节10连接至双端短路的平行双线谐振器14中，由平行双线谐振器14耦合馈电；辐射体结构的位置可调，通过调整辐射体结构与平行双线谐振器14上电流零点的距离，以调整辐射体结构与平行双线谐振器14耦合的能量；通过调节两个辐射体结构之间的中间段平行双线9的线宽，可以调制平行双线谐振器14对两个辐射体结构的耦合量，降低馈线天线辐射Q值，进而得到良好的辐射方向图，线宽越细，谐振器之间的耦合越强，天线辐射Q值越低，所辐射的天线能量更多，因此，可以进一步提高天线增益并降低天线的上副瓣；平行双线谐振器14在非工作频段，存在等效电流零点，且电流零点位于辐射体结构的上枝节12和下枝节10之间时，辐射体结构上电流反向，在馈线滤波天线通带左、右侧产生辐射零点，进一步提高了天线的带外抑制，即提高了天线的选择性。

进一步地，本实施例的馈线滤波天线的馈电结构采用微带线1转平行双线的馈电结构，微带线1通过第一层介质基板3承接，微带线1位于平行双线谐振器14的上表面，通过第二金属化过孔2连接平行双线谐振器14的下表面，且第二金属化过孔2与平行双线谐振器14的上表面无接触；第二金属化过孔2高度可调，通过调节第二金属化过孔2高度，以调制平行双线谐振器14的外部Q值，从而控制外部能量与平行双线谐振器14的耦合。

本实施例的双端短路的平行双线谐振器14在工作频点处等效并联谐振，即为图4a~图4b的等效电路中的第一阶谐振，采用微带线转平行双线的馈电结构由微带线1打孔接入，给平行双线谐振器14馈电；微带线1位于平行双线谐振器14的上表面，通过金属化过孔2连接平行双线谐振器14的下表面，且金属化过孔与平行双线上表面没有接触；馈入平行双线谐振器14的馈电结构等效为图4a~图4b的等效电路中的J变换器J ₀₁，控制着输入端对第一阶谐振器的耦合量；上辐射体结构11和下辐射体结构8对称，间距约为一个导波波长，所以被馈线谐振器同相馈电，每个辐射体结构皆由上下对称的上枝节12和下枝节10构成，可等效为串联谐振，即为图4a~图4b等效电路中的第二阶谐振；图4a中由多个辐射体构成的第二阶谐振可进行串联/并联谐振转换。进一步地，利用单端口天线的辐射Q值与J或者K变换器的关系，将单端口滤波天线网络变换为二端口滤波器网络；并利用并联子网络性质将多个子网络合并，可得到如图4b所示的二阶滤波器网络；本实施例中两个辐射体结构直接连接至双端短路的平行双线谐振器14中，由平行双线谐振器14耦合馈电（即J ₁₂）。上述等效电路的对偶网络如图5a~图5b所示。

如图6所示，是本实施例提供的馈线滤波天线反射系数|S11|-频率的仿真结果图，通带内阻抗匹配良好，阻抗带宽为5.8-6GHz，回波损耗均在-10dB以下。

如图7所示，是本实施例提供的馈线滤波天线增益-频率和辐射效率-频率的仿真结果图，工作频段内增益约为4.3dBi，通带两侧具有高滚降滤波特性，且实现了5-5.5GHz超过10dB的滤波抑制。且工作频段内天线效率约为-0.5dB，未引入额外的插损，符合终端天线工作效率要求。

如图8所示，是本实施例提供的馈线滤波天线辐射方向图。该实施例最大辐射方向为水平方向，方向图不圆度为1.65dB，水平方向辐射增益最大可达4.46dBi，具有良好的高增益全向辐射性能。

本实施例可根据需求对相关结构的尺寸进行调整而适应不同的频带的无线通信系统的接收和发射设备中，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，本实施例也适用于无线移动通信系统设备的一体化和集成化。

实施例2：

当实现N（N≥3）阶馈线滤波天线时，在馈线滤波天线上耦合额外的谐振器，具有N阶谐振的馈线滤波天线等效电路图如图9a~图9b所示。

本实施例提供了一种三阶的馈线滤波天线，由两节馈线和馈线形式的辐射体结构作为谐振器构建三阶滤波网络，天线等效电路对应于图9a~图9b中N=3时的滤波网络，如图10所示，本实施例是在实施例1的基础上，增加一段额外的平行双线谐振器14，其他结构与实施例1相同，进而在天线中多引入一阶谐振，平行双线谐振器14顶端开路底端短路接地，在工作频点处等效为并联谐振，即图9a~图9b等效电路中的第一阶谐，第二段平行双线谐振器14顶端短路底端开路，通过缝隙15由短平行双线耦合馈电，在工作频点处等效为并联谐振，即图9a~图9b等效电路中的第二阶谐振；同样，与实施例1相同的是，本实施例的微带线转平行双线的馈电结构也等效为图9a~图9b等效电路中的J变换器J₀₁，每个辐射体结构皆由上下对称的上枝节12和下枝节10构成，也等效为串联谐振，即为图9a~图9b等效电路中的第N（N=3）阶谐振。

如图11所示，是本发明实施例2提供的馈线滤波天线反射系数|S11|-频率的仿真结果图，通带内阻抗匹配良好，阻抗带宽为5.8-6GHz，回波损耗均在-12dB以下。天线工作通带内有三个谐振。

以上两个实施例可验证本发明提出的馈线滤波天线设计方法的适用性，滤波阶数可拓展至N阶。

以上所揭露的仅为本发明两种较佳实施例而已，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (12)

1.一种馈线滤波天线，其特征在于，包括馈线结构和辐射体结构，所述馈线结构作为第一阶谐振器，所述辐射体结构加载在馈线结构上，作为最后一阶谐振器，与馈线结构一起构成二阶滤波器，通过控制第一阶谐振器和最后一阶谐振器之间的耦合实现辐射体结构的带通滤波效应；当实现三阶或以上的馈线滤波天线时，在二阶的馈线滤波天线上耦合额外的谐振器；

所述辐射体结构为多个，多个辐射体结构从上到下分布，每个辐射体结构相同，且每个辐射体结构的垂直间距为一个波长，实现同相馈电，辐射同向叠加；

每个辐射体结构分为上枝节和下枝节，上枝节朝下，下枝节朝上，上枝节和下枝节在工作频带内等效电流同向，共同组成偶极子辐射器；

所述上枝节和下枝节共面，上枝节和下枝节的长度小于四分之一波长，且上枝节和下枝节的馈电距离为半波长，共同等效于串联谐振。

2.根据权利要求1所述的馈线滤波天线，其特征在于，所述馈线结构采用平行双线谐振器，所述平行双线谐振器包括上表面微带线和下表面微带线，所述上表面微带线和下表面微带线的形状和尺寸相同。

3.根据权利要求2所述的馈线滤波天线，其特征在于，所述平行双线谐振器的一端被短路，另一端被开路；或者所述平行双线谐振器的两端被短路或开路。

4.根据权利要求3所述的馈线滤波天线，其特征在于，所述平行双线谐振器一端被短路，另一端被开路时，在短路端上增加一段四分之一波长开路线，或在开路端上增加一段四分之一波长短路线。

5.根据权利要求3所述的馈线滤波天线，其特征在于，所述平行双线谐振器两端被短路时，平行双线谐振器高度可调，通过调整高度以控制第一阶谐振器的谐振频率。

6.根据权利要求2所述的馈线滤波天线，其特征在于，所述平行双线谐振器与辐射体结构连接，连接处附近的平行双线谐振器线宽可调，通过调整这部分线宽以调制第一阶谐振器和最后一阶谐振器之间的耦合系数。

7.根据权利要求2所述的馈线滤波天线，其特征在于，所述馈线滤波天线的馈电结构采用微带线转平行双线的馈电结构，所述微带线位于平行双线谐振器的上表面，通过金属化过孔连接平行双线谐振器的下表面，且所述金属化过孔与平行双线谐振器的上表面无接触。

8.根据权利要求7所述的馈线滤波天线，其特征在于，所述馈电结构的金属化过孔高度可调，通过调节馈电结构的金属化过孔高度，以调制平行双线谐振器的外部Q值，从而控制外部能量与平行双线谐振器的耦合。

9.根据权利要求1所述的馈线滤波天线，其特征在于，每个辐射体结构的尺寸可调，通过调节辐射体结构的尺寸，以控制最后一阶谐振器的谐振频率、与第一阶谐振器之间的耦合系数以及辐射Q值。

10.根据权利要求2所述的馈线滤波天线，其特征在于，所述辐射体结构的位置可调，通过调整辐射体结构与平行双线谐振器上电流零点的距离，以调整辐射体结构与平行双线谐振器耦合的能量。

11.根据权利要求2所述的馈线滤波天线，其特征在于，每两个相邻的辐射体结构之间的中间段平行双线线宽可调，通过调节中间段平行双线，以调节第一阶谐振器和最后一阶谐振器之间的耦合系数和天线辐射Q值，进而控制天线的上副瓣。

12.一种通信设备，其特征在于，包括权利要求1-11任一项所述的馈线滤波天线。

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