CN114552210A - 一种低剖面毫米波滤波天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低剖面毫米波滤波天线，属于微波天线技术领域。本发明所述天线包括自上而下依次层叠贴合的辐射结构、第一介质基板、金属地板、第二介质基板和微带馈电结构。辐射结构包括一个方形金属贴片和围绕在方形金属贴片四周的矩形寄生贴片，金属地板中心位置刻蚀有一条矩形缝隙，微带馈电结构包括50欧微带线、两条分叉开路枝节和一段四分之一波长阻抗匹配线。本发明所述天线在通带内有良好的辐射性能，通带外具有高滚降率和良好的带外抑制效果，且没有引入额外滤波电路，从而进一步降低了天线的插入损耗；具有低剖面、宽带、高增益、结构简单的效果，有利于实现小型化；整体结构紧凑，成本低，适用于高集成度的射频无线通信系统中。

Description

一种低剖面毫米波滤波天线
技术领域
本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种低剖面毫米波滤波天线。
背景技术
天线作为接收和发送无线电波的基本装置，是无线通信系统必不可少的组成部分。迅速发展的无线通信使得低频频谱资源日益紧张，而毫米波频谱资源丰富，至今为止还有大量没有被开发和利用的频谱资源，并且具备其他频段的电磁波所没有的优点，因而在5G通信中受到广泛关注。
在4G和5G共存的时代，关于不同频段的电磁波之间的干扰问题一直备受关注，常见的方法是在5G毫米波前端加入滤波器来抑制带外噪声。将滤波响应集成到天线中并形成一体化的集成设计，可以使天线有选择性地工作在需要的频段，从而提高射频前端的集成度并增强系统的紧凑性。
现有技术“Compact dual-band loop-loaded monopole with integrated band-select filter for WLAN application(Wei-Jun Wu；Shao-Li Zuo；Xue-Mei Huang；Ding-E Wen；Rong Fan；ISAPE，2012：6408696)”公开了一种由环形加载双频单极辐射器和微带双频交指带通滤波器组成的双频单极子滤波天线，通过利用阻抗变换结构得到了理想的匹配效果，但这会增加天线的额外尺寸，不利于集成度和小型化。
现有技术“Integration design of millimeter-wave filtering patchantenna array with SIW four-way anti-phase filtering power divider(Hua-YanJin；Guo-Qing Luo；Wen-Lei Wang；Wen-Quan Che；Kuo-Sheng Chin；IEEE Access，2019，7：49804-49812)”公开了一种基于基片集成波导(SIW)滤波器实现毫米波滤波的天线，该天线具有高Q滤波响应和良好的频率选择性，但是带宽窄(小于5％)，这不适合特定的宽带应用。
发明名称为“基于交叉耦合结构的紧凑型宽带滤波天线及其MIMO天线(CN111293413 B,2021,2021.02.05)”的专利申请公开了一种滤波天线，通过构造不同的交叉耦合路径，在其通带(4.51-5.55GHz)左右两侧产生两个辐射零点。虽然该天线在较宽频带范围内实现了良好的滤波性能，但是其带内增益较低，且具有较高的剖面。
发明名称为“一种毫米波滤波天线及无线通信设备(CN 210430085 U,2020,2020.04.28)”的专利申请所述方案中的毫米波滤波天线采用差分馈电方式，辐射结构包括四周加载短路贴片的馈电贴片和由方形贴片与十字形条带组合而成的寄生贴片，天线工作在24.2GHz-29.5GHz，并且在低频段实现了17dB带外抑制，高频段实现了19.4dB带外抑制。虽然该天线的滤波性能好，但是采用多层结构增加了剖面，结构较为复杂。
发明名称为“一种低剖面、宽带、高增益滤波天线(CN 105591197 B,2019,2019.07.16)”的专利申请所述方案中的滤波天线采用分离的微带耦合缝隙馈电方式，辐射结构由非均匀的电磁超表面构成。该天线未使用复杂的滤波电路，天线损耗较低，通过采用电磁超表面构成辐射体，增加了天线的带宽和增益。但是该天线工作在微波低频段，且成本较高。
目前，已有相关研究报到了滤波天线，总体而言，这些报道要么利用多层结构或者剖面高度较高，不利于小型化，要么工作在微波低频段。因此，如何实现较低剖面高度下，工作在毫米波频段且结构简单的滤波天线，是微波天线技术领域富有挑战性的重要课题。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种低剖面毫米波滤波天线。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种低剖面毫米波滤波天线，包括自上而下依次层叠贴合的辐射结构、第一介质基板1、金属地板2、第二介质基板3和微带馈电结构；
辐射结构包括方形贴片4和四个矩形寄生贴片5；方形贴片4位于第一介质基板1上表面的中心位置；四个矩形寄生贴片5呈2x2排布，长边与方形贴片4的边平行，对称位于方形贴片4的左右两侧；方形贴片4上刻蚀有开口U形缝隙6，中心重合且开口朝上；
金属地板2刻蚀有一条矩形缝隙7，矩形缝隙7刻蚀于金属地板2中心位置，矩形缝隙7的长边与矩形寄生贴片5的短边平行；
微带馈电结构包括50欧微带线8、两条分叉开路枝节9、10和一段四分之一波长阻抗匹配线11；50欧微带线8与矩形寄生贴片5的短边平行，一端延伸至第二介质基板3的下表面左边沿，另一端连接四分之一波长阻抗匹配线11；四分之一波长阻抗匹配线11与矩形寄生贴片5的短边平行，另一端连接两条分叉开路枝节9、10的一端；第一条分叉开路枝节9与四分之一波长阻抗匹配线11垂直，终端开路，向第二介质基板3的上边沿延伸；第二条分叉开路枝节10终端开路且弯折，两个弯折枝节分别与四分之一波长阻抗匹配线11平行和垂直，向第二介质基板3的上边沿延伸。
进一步的，第一介质基板、金属地板2和第二介质基板为边长相等的方形。
进一步的，方形贴片4的边与第一介质基板1的边平行。
进一步的，矩形寄生贴片5的长度为设定引入高频辐射零点频率的二分之一波长，通过调整矩形寄生贴片5的长度可以改变高频辐射零点所在位置。
进一步的，四分之一波长阻抗匹配线11与50欧微带线8的特性阻抗不同。
进一步的，第二条分叉开路枝节10中，第一弯折枝节与四分之一波长阻抗匹配线11平行，与矩形缝隙7中心位置同轴且之间留有间距；第二弯折枝节与四分之一波长阻抗匹配线11垂直，向第二介质基板3的上边沿延伸。
进一步的，第一开路枝节9与第二开路枝节10的特性阻抗相同，电长度不同，且长度之和为设定引入低频辐射零点频率的二分之一波长；通过调整第一开路枝节9与第二开路枝节10的电长度可以改变低频辐射零点所在位置。
进一步的，通过调整开口U型缝隙6的电长度，可以改变滤波天线的工作带宽。
本发明的有益效果是：
(1)本发明所述天线为工作在毫米波频段上的滤波天线，在通带内有良好的辐射性能，通带外具有高滚降率和良好的带外抑制效果，且没有引入额外滤波电路，从而进一步降低了天线的插入损耗；
(2)本发明所述毫米波滤波天线单元从馈电到天线顶部的高度仅为0.063个工作波长。具有低剖面、宽带、高增益、结构简单的效果，有利于实现小型化；
(3)本发明所述天线整体结构紧凑，成本低，适用于高集成度的射频无线通信系统中。
附图说明
图1为本发明所述低剖面毫米波滤波天线的整体结构示意图；
图2为本发明所述低剖面毫米波滤波天线的侧视图；
图3为本发明所述天线中第一介质基板上表面的辐射结构示意图；
图4为本发明所述天线中金属地板结构示意图；
图5为本发明所述天线中第二介质基板下表面的微带馈电结构示意图；
图6为实施例所述天线的S参数特性曲线图；
图7为实施例所述天线的增益曲线图；
图8是实施例所述天线在25GHz频率处的E面辐射方向图；
图9是实施例所述天线在25GHz频率处的H面辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
本实施例提供一种低剖面毫米波滤波天线，其整体结构示意图和侧视图如图1和图2所示，包括自上而下依次层叠贴合的辐射结构、第一介质基板1、金属地板2、第二介质基板3和微带馈电结构；
第一介质基板1所用的材料为Rogers RO4003，相对介电常数3.55，厚度为0.508mm，尺寸为12mm×12mm；第二介质基板2所用的材料为Rogers RT5880，相对介电常数2.2，厚度为0.254mm，尺寸为12mm×12mm。
辐射结构的结构示意图如图3所示，包括方形贴片4和四个矩形寄生贴片5；方形贴片4位于第一介质基板1上表面的中心位置，尺寸为3mm×3mm；四个矩形寄生贴片5呈2x2排布，长度为3.8mm，宽度为0.8mm，长边与方形贴片4的边平行，对称位于方形贴片4的左右两侧；方形贴片4上刻蚀有开口U形缝隙6，方形贴片4和开口U形缝隙6中心重合，开口朝上，长度为3.5mm，缝隙宽度为0.1mm。
所述矩形寄生贴片的长度为设定引入高频辐射零点频率的二分之一波长。
金属地板2的结构示意图如图4所示，尺寸为12mm×12mm，刻蚀有一条矩形缝隙7，矩形缝隙7刻蚀于金属地板2中心位置，矩形缝隙7的长边与矩形寄生贴片5的短边平行，长度为2.4mm，缝隙宽度为0.1mm。
微带馈电结构的结构示意图如图5所示，包括50欧微带线8、两条分叉开路枝节9、10和一段四分之一波长阻抗匹配线11；50欧微带线8与矩形寄生贴片5的短边平行，长度为4.05mm，宽度为0.4mm，一端延伸至第二介质基板3的下表面左边沿，另一端连接四分之一波长阻抗匹配线11；四分之一波长阻抗匹配线11长度为1.6mm，宽度为0.3mm，与矩形寄生贴片5的短边平行，另一端连接两条分叉开路枝节9、10的一端。
第一条分叉开路枝节9长度为1.8mm，宽度为0.08mm，与四分之一波长阻抗匹配线11垂直，终端开路，向第二介质基板3的上边沿延伸。
第二条分叉开路枝节10长度为2.3mm，宽度为0.08mm，终端开路且弯折；第一弯折枝节与四分之一波长阻抗匹配线11平行，与矩形缝隙7中心位置同轴且之间留有间距。第二弯折枝节与四分之一波长阻抗匹配线11垂直，向第二介质基板3的上边沿延伸。本实施例中，第一弯折枝节与矩形缝隙7之间的间距为1.1mm。
第一开路枝节9与第二开路枝节10的特性阻抗相同，电长度不同，且长度之和为设定引入低频辐射零点频率的二分之一波长；四分之一波长阻抗匹配线11与微带线8特性阻抗不同。
本实施例所述低剖面毫米波滤波天线中，方形贴片4和寄生贴片5共同作为该天线的辐射结构，且此结构可以在高频处产生一个辐射零点。电磁波通过矩形缝隙7传输到方形贴片4，一方面，电磁波由方形贴片4向自由空间辐射；另一方面，传输到方形贴片4的电磁波耦合到寄生贴片5，再由寄生贴片5向自由空间辐射。电磁波经过这两条不同的路径在自由空间反相合成，在辐射零点处，方形贴片4上的电流方向与寄生贴片5上的电流方向相反，所以两路信号相互抵消，以致于在自由空间中辐射的能量很小，从而形成高频处的辐射零点。
本实施例所述低剖面毫米波滤波天线的微带馈电结构中，第一开路枝节9终端开路，第二开路枝节10终端开路且弯折，由此实现低频处的辐射零点。两段开路枝节之和为低频辐射零点的半波长，在低频辐射零点处，馈电线上的电流分别集中在第一开路枝节9和第二开路枝节10上，且电流强度几乎相等，但方向相反。在此情况下，该馈电结构起到混合馈电的作用，在馈电和辐射贴片之间构建出两条信号传输路径。电磁波能量的传输一方面是从第一开路枝节9经过矩形缝隙7耦合到方形贴片4上，另一方面是从第二开路枝节10经过矩形缝隙7耦合到方形贴片4上。由于第一开路枝节9和第二开路枝节10上的电路强度相当，因此，从第一开路枝节9传输到方形贴片4上的电流与第二开路枝节10传输到方形贴片4上的电流强度几乎相等，但是相位相反，因此造成方形贴片4上分布着微弱的电流，辐射强度较低，可以忽略不计，导致低频处形成一个辐射零点。
本实施例所述低剖面毫米波滤波天线方形贴片4中心处刻蚀有开口U型槽6，开口U型槽6通过增加方形贴片4上的电流路径，从而提高天线的工作带宽，能够在不改变天线尺寸的情况下，进一步提升毫米波滤波天线的性能。
本实施例所述低剖面毫米波滤波天线工作中心频率为24.97GHz，其S参数的仿真结果如图6所示，工作频段为：24.08-25.86GHz；天线的增益仿真结构如图7所示，其中上频带和下频带处各有一个辐射零点。图8是实施例所述天线在25GHz频率处的E面辐射方向图；图9是实施例所述天线在25GHz频率处的H面辐射方向图。
本实施例所述低剖面毫米波滤波天线，与现阶段同类型滤波天线相比，具有低剖面、宽带、高增益、结构简单的效果，且克服了毫米波的技术限制，使得天线能够工作在毫米波频段内。

Claims (8)

1.一种低剖面毫米波滤波天线，其特征在于，包括自上而下依次层叠贴合的辐射结构、第一介质基板(1)、金属地板(2)、第二介质基板(3)和微带馈电结构；
辐射结构包括方形贴片(4)和四个矩形寄生贴片(5)；方形贴片(4)位于第一介质基板(1)上表面的中心位置；四个矩形寄生贴片(5)呈2x2排布，长边与方形贴片(4)的边平行，对称位于方形贴片(4)的左右两侧；方形贴片(4)上刻蚀有开口U形缝隙(6)，中心重合且开口朝上；
金属地板(2)刻蚀有一条矩形缝隙(7)，矩形缝隙(7)刻蚀于金属地板(2)中心位置，矩形缝隙(7)的长边与矩形寄生贴片(5)的短边平行；
微带馈电结构包括50欧微带线(8)、两条分叉开路枝节(9、10)和一段四分之一波长阻抗匹配线(11)；50欧微带线(8)与矩形寄生贴片(5)的短边平行，一端延伸至第二介质基板(3)的下表面左边沿，另一端连接四分之一波长阻抗匹配线(11)；四分之一波长阻抗匹配线(11)与矩形寄生贴片(5)的短边平行，另一端连接两条分叉开路枝节(9、10)的一端；第一条分叉开路枝节(9)与四分之一波长阻抗匹配线(11)垂直，终端开路，向第二介质基板(3)的上边沿延伸；第二条分叉开路枝节(10)终端开路且弯折，两个弯折枝节分别与四分之一波长阻抗匹配线(11)平行和垂直，向第二介质基板(3)的上边沿延伸。
2.根据权利要求1所述的低剖面毫米波滤波天线，其特征在于，第一介质基板(1)、金属地板(2)和第二介质基板(3)为边长相等的方形。
3.根据权利要求2所述的低剖面毫米波滤波天线，其特征在于，方形贴片(4)的边与第一介质基板(1)的边平行。
4.根据权利要求1所述的低剖面毫米波滤波天线，其特征在于，矩形寄生贴片(5)的长度为设定引入高频辐射零点频率的二分之一波长，通过调整矩形寄生贴片(5)的长度可以改变高频辐射零点所在位置。
5.根据权利要求1所述的低剖面毫米波滤波天线，其特征在于，四分之一波长阻抗匹配线(11)与50欧微带线(8)的特性阻抗不同。
6.根据权利要求1所述的低剖面毫米波滤波天线，其特征在于，第二条分叉开路枝节(10)中，第一弯折枝节与四分之一波长阻抗匹配线(11)平行，与矩形缝隙(7)中心位置同轴且之间留有间距；第二弯折枝节与四分之一波长阻抗匹配线(11)垂直，向第二介质基板(3)的上边沿延伸。
7.根据权利要求1所述的低剖面毫米波滤波天线，其特征在于，第一开路枝节(9)与第二开路枝节(10)的特性阻抗相同，电长度不同，且长度之和为设定引入低频辐射零点频率的二分之一波长；通过调整第一开路枝节(9)与第二开路枝节(10)的电长度可以改变低频辐射零点所在位置。
8.根据权利要求1所述的低剖面毫米波滤波天线，其特征在于，通过调整开口U型缝隙(6)的电长度，可以改变滤波天线的工作带宽。
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