CN114556698B - 滤波器天线及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种滤波器天线以及一种用于制造滤波器天线的方法。该滤波器天线包括微带天线(例如贴片天线)，其集成了用于吸收或耗散能量的吸收式(例如带阻)滤波器。

Description

滤波器天线及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种滤波器天线以及一种用于制造该滤波器天线的方法。本发明还涉及一种包括该滤波器天线的通信装置。

背景技术

滤波器和天线是通信装置中常见且重要的部件。滤波器天线(或滤波天线)是一种将天线和滤波器结合在一起的装置。

现有的滤波器天线是反射式滤波器天线。这些反射式滤波器天线将阻带中的大部分入射能量反射。被反射的能量可以被传输到系统中的其他部件(例如，与滤波器天线相关的功率放大器)，这可能会导致系统不稳定(例如，功率放大器的自激振荡)。避免或减轻这种不稳定性问题的一种选择是在系统中使用隔离器、循环器和/或衰减器，以减少反射的能量对系统的影响。然而，这种选择将会增加系统中的部件的数量，使系统变得繁琐且昂贵，同时可能会增加插入损耗。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种滤波器天线，包括：集成了用于吸收或耗散能量的吸收式滤波器的微带天线。通过吸收或耗散能量(例如从外部源接收的能量)，可以防止、减少或消除能量的反射(该能量的反射可能会影响其他部件/装置的稳定性)。滤波器天线可用于发射、接收或发射和接收两者。

在第一方面的一个实施方式中，微带天线是贴片天线。该贴片天线有相对较低的轮廓。

在第一方面的一个实施方式中，吸收式滤波器是用于吸收或耗散阻带能量的带阻滤波器。

在第一方面的一个实施方式中，微带天线包括基体、布置在基体的第一面上的接地层以及布置在基体的相对的第二面上的微带线网络。微带天线可以包括更多层或部件。吸收式滤波器包括至少部分地布置在基体内的滤波元件。优选地，滤波元件大体完全布置在基体内。

在第一方面的一个实施方式中，滤波元件包括电阻器。该电阻器可以是片式电阻器。

在第一方面的一个实施方式中，吸收式滤波器还包括：布置在微带线网络中的缺陷微带结构和布置在接地层中的缺陷地结构。缺陷微带结构和缺陷地结构与滤波元件可操作地连接。

在第一方面的一个实施方式中，微带天线是贴片天线并且微带线网络包括贴片。贴片可以布置在基体的中央。

在第一方面的一个实施方式中，贴片包括中心部分，并且缺陷微带结构包括布置(例如，蚀刻)在贴片的中心部分的一个或多个槽。该一个或多个槽可以是U形的。贴片的中心部分可以包括一个或多个开路短截线，每个开路短截线与相应的槽相关联。在一个示例中，贴片有两个开路短截线，例如，两个λ_g/4开路短截线，其中λ_g是中心频率处的导波波长。

在第一方面的一个实施方式中，贴片还包括布置在中心部分的第一侧并与中心部分的第一侧连接的第一侧部分，以及布置在中心部分的相对的第二侧并与中心部分的第二侧连接的第二侧部分。第一侧部分和第二侧部分中的每一个都包括一个或多个短截线。在一个示例中，第一侧部分和第二侧部分中的每一个都包括双短截线或双短截线馈电。在双短截线或双短截线馈电中的短截线可以具有不同的长度。

在第一方面的一个实施方式中，贴片相对于对称轴对称。贴片的中心部分也可以相对于对称轴对称。

在第一方面的一个实施方式中，缺陷地结构包括布置(例如，蚀刻)在接地层中的一个或多个槽。缺陷地结构可包括与贴片的中心部分相对应的中心槽。中心槽可以是U形的。在平面图中，中心槽可以与贴片的中心部分重叠。

缺陷地结构还可包括布置在中心槽的第一侧的第一侧槽和布置在中心槽的相对的第二侧的第二侧槽。第一侧槽和第二侧槽被布置为协助吸收或耗散能量。第一侧槽和第二侧槽可以相对于对称轴对称地布置。第一侧槽和第二侧槽可以具有相同的形状和尺寸。第一侧槽和第二侧槽可以是大体η形的。

在第一方面的一个实施方式中，微带线网络还包括一个或多个寄生贴片，其与贴片可操作地连接。该一个或多个寄生贴片可以与贴片间隔开。该一个或多个寄生贴片可以包括布置在贴片的相对侧的两个寄生贴片。该两个寄生贴片可以是开槽贴片，其各自具有一个或多个槽。在一个示例中，槽是矩形的。该两个寄生贴片可以与贴片等距间隔开并相对于贴片对称布置。

在第一方面的一个实施方式中，贴片天线具有延伸穿过基体并与贴片连接的同轴馈电。在一个示例中，同轴馈电连接在贴片的一端并且滤波元件连接在贴片的另一端。同轴馈电可以垂直于基体的面延伸。

在本发明的第二方面中，提供了一种通信装置，其包括第一方面的滤波器天线。通信装置可以是无线通信装置。通信装置可以是通信系统的一部分。

在本发明的第三方面中，提供了一种用于制造滤波器天线的方法，其包括形成集成了用于吸收或耗散能量的吸收式滤波器的微带天线。该形成包括：形成微带天线，以及在微带天线中集成用于吸收或耗散能量的吸收式滤波器。这两个步骤可以同时执行。

在第三方面的一个实施方式中，形成微带天线包括形成贴片天线。

在第三方面的一个实施方式中，形成微带天线包括在微带天线的基体的第一面上形成微带线网络。

在第三方面的一个实施方式中，形成微带天线还包括在微带线网络中形成缺陷微带结构。

在第三方面的一个实施方式中，形成微带天线还包括在微带天线的相对的第二面上的接地层上形成缺陷地结构。

在第三方面的一个实施方式中，集成吸收式滤波器包括在基体上形成孔，以用于接收吸收式滤波器的滤波元件。集成吸收式滤波器还可以包括将吸收式滤波器的滤波元件布置在孔中。

在第三方面的一个实施方式中，将吸收式滤波器的滤波元件布置在孔中包括将吸收式滤波器的滤波元件大体上完全布置在孔中。

在第三方面的一个实施方式中，该方法还包括在滤波元件和接地层之间形成电连接，以及在滤波元件和微带线网络之间形成电连接。形成电连接可能包括锡焊或焊接。

在第三方面的一个实施方式中，滤波元件包括电阻器。该电阻器可以是片式电阻器。

附图说明

现在将参考附图以示例的方式描述本发明的实施方式，其中：

图1是根据本发明一个实施方式的滤波器天线的示意图；

图2A是根据本发明一个实施方式的滤波器天线的俯视图；

图2B是图2A的滤波器天线中的贴片的放大图；

图2C是图2A的滤波器天线的侧视图；

图2D是图2A的滤波器天线的仰视图；

图3是示出根据本发明一个实施方式的用于制造滤波器天线的方法的流程图；

图4A是示出根据本发明一个实施方式的滤波器天线的顶面的照片；

图4B是图3A的滤波器天线的底面的照片；

图5是示出图4A的滤波器天线的测量的和模拟的反射系数以及参考天线的反射系数的曲线图；

图6A是示出图4A的滤波器天线在5.8GHz在E平面(x-z平面)上测量的和模拟的辐射方向图；

图6B是示出图4A的滤波器天线在5.8GHz在H平面(y-z平面)上测量的和模拟的辐射方向图；

图7是示出图3A的滤波器天线的测量的和模拟的增益以及参考天线的增益的曲线图；

图8是示出图4A的滤波器天线的测量的和模拟的总天线效率和参考天线的总天线效率的曲线图；以及

图9是示出图2A的滤波器天线中的片式电阻器的模拟功率损耗(根据其在5.24GHz的最大值进行了归一化)。

具体实施方式

图1是本发明一个实施方式的滤波器天线20的示意图。滤波器天线20与诸如功率放大器的信号(例如，能量)源10可操作地连接，以从信号源10接收信号(例如，能量)。滤波器天线20包括带通信道22BP和带阻信道22BS。带通信道22BP与天线元件24连接。带阻信道22BS与被示出为电阻器的滤波元件26连接。在带通信道22BP处接收的通带中的能量被传输到天线单元24；在带阻信道22BS处接收的阻带中的能量被电阻器26吸收或耗散。因此，通带和阻带中的能量反射都被减少、最小化、并且优选地大体上消除，以避免对相邻的部件(例如，功率放大器)造成不利影响。

图2A至图2D示出了本发明一个实施方式的滤波器天线200。滤波器天线200一般包括集成了用于吸收或耗散能量的吸收式滤波器的微带天线。在该实施方式中，微带天线是贴片天线而吸收式滤波器是用于吸收或耗散阻带能量的带阻滤波器。

如图2A至图2D所示，滤波器天线200包括基体202，由在基体202的上面上的导电贴片形成的贴片网络204，以及由在基体202的下面上的导电表面形成的接地层206。基体202具有介电常数ε_rs。基体202具有厚度t(在z方向上)以及面积G×G(在x-y平面上)。具有内径r1的电缆的同轴连接器或馈电连接器208附接到基体202的下表面，并且穿过基体202以与贴片网络204的贴片204A连接。电缆馈电208焊接到贴片204A以用于激励滤波器天线200。

如图2A和图2B最佳地所示，贴片网络204包括主贴片204A和布置在主贴片204A两侧的两个侧贴片204B、204C。主贴片204A包括中心部分204A1和布置在中心部分204A1两侧的两个侧部分204A2、204A3。中心部分204A1包括两个大体为U形的槽220，其相对于主贴片204A的对称轴(在x方向上)对称地布置。U形槽220中的每一个与相应的开路短截线(由220附近的虚线圈包围)(其为λ_g/4开路短截线(λ_g是导波波长))相关联。侧部分204A2、204A3中的每一个包括双短截线或双短截线馈电222。双短截线馈电222中的每一个包括以宽度W₅间隔开的长度为L₆和L₇(L₆>L₇)的两个短截线。该两个短截线的宽度均为W₆。中心部分204A1在一端与馈电208连接而在另一端与电阻元件214连接。

两个侧贴片204B、204C为寄生开槽贴片。贴片204B、204C中的每一个大体是矩形的并且包括矩形槽。两个侧贴片204B、204C相对于主贴片204A的对称轴(在x方向上)对称地布置。两个侧贴片204B、204C也与主贴片204A对齐，其中它们的顶部边缘(在x方向上)在同一水平上并且它们的底部边缘(在x方向上)在同一水平上。开槽贴片204B、204C中的每一个具有长度L_a和宽度W_a，并且分别以距离S₁与主贴片204A的边缘间隔开。矩形槽具有长度L_P和宽度W_p1。

图2D示出了接地层206。接地层206是具有三个槽的大体平坦的导电表面。在平面图中，在接地层206的中心对应于主贴片204A的是U形槽，其为在接地层206中形成(例如，蚀刻)的λ_g/2的U形槽230。在U形槽230的两侧布置两个大体η形的侧槽232，以提高下阻带的抑制水平。

图2C示出了至少部分地布置在基体202内的滤波元件214。在该实施方式中，滤波元件214是嵌入在基体202(形成在基体202中的小孔)中的片式电阻器，其用于吸收或耗散阻带能量。片式电阻器的阻值为47Ω。片式滤波器的一端焊接到主贴片204A而片式滤波器的另一端焊接到接地层206。

图2A至图2D的滤波器天线200包括集成在贴片天线中的滤波器。滤波器由布置在微带线网络204中的缺陷微带结构、片式电阻器214和布置在接地层206中的缺陷地结构形成。缺陷微带结构包括布置在中心部分204A1中的短截线和槽220。缺陷地结构包括形成在接地层206中的槽230、232。该滤波器可被视为端接电阻的带阻滤波器(BSF)210。

图3示出了本发明一个实施方式的用于制造滤波器天线的方法300。滤波器天线可以是图2A至图2D中的天线。方法300包括：在步骤302中，形成微带天线，以及在步骤304中，在微带天线中集成用于吸收或耗散能量的吸收式滤波器。这两个步骤302、304可以按照所述顺序执行，也可以同时执行。微带天线可以是贴片天线。在一个示例中，形成微带天线包括处理PCB基体(基体+在基体的相对面上的金属层)。具体地，形成微带天线可以包括在微带天线的基体的第一面上形成微带线网络，在微带线网络中形成缺陷微带结构，和/或在微带天线的相对的第二面上的接地层上形成缺陷地结构。可通过在基体上形成孔(例如，钻孔)，然后将滤波元件布置在孔中，以将吸收式滤波器集成在基体中。吸收式滤波器的滤波元件可以大体上完全布置在孔中。滤波元件和接地层之间的电连接可以通过锡焊或焊接形成。同样，滤波元件和微带线网络之间的电连接可以通过锡焊或焊接形成。

图4A和图4B示出了基于图2A至图2D的滤波器天线200制造的滤波器天线的原型400。下表列出了原型400的尺寸。

表1：滤波器天线原型的尺寸

为了验证滤波器天线400的性能，进行了实验和模拟。所进行的实验包括使用Agilent^TM8753ES矢量网络分析仪测量反射系数以及使用Satimo^TMStarLab系统测量辐射方向图、天线增益和天线效率。

图5示出了滤波器天线400的测量的和模拟的反射系数以及参考天线的反射系数。如图5所示，测量结果与模拟结果基本一致。在整个频率范围内(5-6.5GHz)，测量的反射系数低于-10dB。这证明了滤波器天线400的无反射特性。需要指出的是，滤波器天线400的反射系数没有明显的选择性。为了进行比较，这里包括具有相同长度L_a和宽度W_t的传统矩形贴片天线作为参考天线。其模拟反射系数也在图5中示出。从图5可以看出，尽管参考天线和滤波器天线400具有相同的贴片尺寸，但参考天线的阻抗带宽比滤波器天线400的阻抗带宽窄得多。

图6A和图6B示出了在5.8GHz下测量的和模拟的归一化辐射方向图。如图6A和图6B所示，最大共极化场位于视轴方向(θ＝0°)。其比其交叉极化场强22dB以上。尽管滤波器天线400相对于xz平面对称，但测量的H平面辐射方向图(yz平面，

)是不对称的。这可能是由包括装配误差在内的实验误差造成的。发现了在目标ISM频段(5.725-5.875GHz)上，方向图是稳定的(结果未示出)。

图7示出了在视轴方向(θ＝0°)上测量的和模拟的可实现天线增益。参考图7，测量结果与模拟结果基本一致。在5.8GHz下测量的最大可实现增益为7.28dBi，由于实验公差，其比在5.94GHz下模拟的峰值增益(8.06dBi)低0.78dB。在5.725-5.875GHz范围内，测量的可实现天线增益高于7dBi，其中测量的1dB增益带宽(增益≥6.28dBi)为5.86％(5.63-5.97GHz)。在上阻带中，观察到两个测量的具有大约-23.5dBi低天线增益的辐射零点，以及上频带边缘的急剧滚降率。在上阻带(6.12-6.50GHz)中，测量的带外抑制水平超过20.5dB。在较低的阻带(5.00-5.44GHz)中，测量到另外两个分别在5.41GHz和在5.0GHz以下的辐射零点，其导致抑制水平超过17.4dB。参考天线的天线增益也在同一图中示出，以突出上述实施方式的滤波器天线400的滤波特性。

图8示出了滤波器天线400的测量的和模拟的总天线效率(包括失配)。参考图8，在5.725至5.875GHz范围内，测量的效率高于72.5％，其中在5.74GHz时最大，为78.5％。模拟的峰值效率在5.98GHz时为89.7％。效率在频带边缘迅速下降，然后在阻带中变得很小，从而提供了强烈的选择性。由于天线200、400在整个频带(5-6.5GHz)上匹配，因此可以推断，在天线阻带中，能量主要耗散在片式电阻器中。这说明了匹配良好的天线不一定能有效地辐射。同样，参考贴片天线的模拟结果也包括在图8中。正如预期的那样，参考贴片天线没有任何尖锐的滤波响应。

图9示出了片式电阻器的模拟功率损耗。图9中的结果已相对于5.24GHz的最大值进行了归一化。参考图9，归一化功率损耗在1dB增益通带(5.63-5.97GHz)中低于0.12，在阻带(5.00-5.44GHz和6.12-6.50GHz)中高于0.85，具有尖锐的频带边缘选择性。应该注意的是，图9中的归一化功率损耗的频率响应几乎与图8中的模拟效率的频率响应互补。这表明带阻滤波器和滤波贴片天线具有大体互补的传递函数，这对于减少或消除反射是必需的。

本发明的上述实施方式总体上提供了一种滤波器天线，其可以有效地减少能量的反射，尤其是阻带中的能量的反射。滤波器天线结构紧凑、外形小巧，适用于小型通信装置和系统。本发明的上述实施方式可用于无线发射机中以减小系统尺寸和损耗。上述实施方式中的滤波器天线具有四个辐射零点，其可以独立调谐以便于设计。贴片天线的中心嵌入了端接电阻的带阻滤波器，以吸收阻带中的能量。带阻滤波器由缺陷地结构、缺陷微带结构以及片式电阻器组成。在通带和阻带中实现了良好的阻抗匹配。

上述实施方式中的滤波器天线可以通过滤波器(尤其是电阻器)吸收或耗散能量，从而减少、避免或防止阻带中的能量反射回到源或其他部件。通带中的能量被传输到天线，而阻带中的能量被滤波器(尤其是电阻器)吸收。因此，通带和阻带中的能量反射都大大减少甚至消除，从而避免了可能会对源或其他部件产生的不利影响。

本领域技术人员将理解，可以在不背离广泛描述的本发明的精神或范围的情况下，对如具体实施方式中所示的本发明进行许多种变化和/或修改。因此，本发明描述的实施方式在所有方面都应该被认为是说明性的而不是限制性的。

例如，滤波器天线不一定要是贴片天线，而可以是其他形式的微带天线。天线的基体可以由具有相同或不同介电常数(ε_rs)的一个或多个基体层组成。基体层的介电常数可以不同。基体的形状、形式和尺寸；接地层的形状、形式和尺寸；以及微带线网络或贴片网络的形状、形式和尺寸可以不同。贴片网络可以包括任意数量(至少一个)的具有任意形状和形式的贴片。贴片不一定要对称排列。这些贴片可以形成一个阵列，以提供阵列天线(集成了滤波器)。天线的馈电可以是非同轴馈电，如微带馈电。馈电不一定要垂直于基体的面，但可以与基体的面平行或成任何其他角度。滤波器天线可以用不同的外形尺寸制成。滤波器天线可用于上文未具体提及的其他无线电频率(例如，微波)。

Claims (26)

1.一种滤波器天线，包括：

微带天线，其集成了用于吸收或耗散能量的吸收式滤波器；

其中，所述微带天线包括：

基体，

接地层，其布置在所述基体的第一面上，以及

微带线网络，其布置在所述基体的相对的第二面上；以及

其中，所述吸收式滤波器包括：

滤波元件，其至少部分地布置在所述基体内；

缺陷微带结构，其布置在所述微带线网络中并且与所述滤波元件可操作地连接，以及

缺陷地结构，其布置在所述接地层中并且与所述滤波元件可操作地连接。

2.根据权利要求1所述的滤波器天线，其中，所述微带天线是贴片天线。

3.根据权利要求1所述的滤波器天线，其中，所述吸收式滤波器是带阻滤波器，其用于吸收或耗散阻带能量。

4.根据权利要求1所述的滤波器天线，其中，所述滤波元件大体完全布置在所述基体内。

5.根据权利要求4所述的滤波器天线，其中，所述滤波元件包括电阻器。

6.根据权利要求4所述的滤波器天线，其中，所述滤波元件包括片式电阻器。

7.根据权利要求1所述的滤波器天线，其中，所述微带天线是贴片天线并且所述微带线网络包括贴片。

8.根据权利要求7所述的滤波器天线，其中，所述贴片包括中心部分，并且所述缺陷微带结构包括布置在所述贴片的所述中心部分的一个或多个槽。

9.根据权利要求8所述的滤波器天线，其中，所述贴片的所述中心部分包括一个或多个开路短截线，每个所述开路短截线与相应的槽相关联。

10.根据权利要求9所述的滤波器天线，其中，所述贴片还包括布置在所述中心部分的第一侧并与所述中心部分的所述第一侧连接的第一侧部分，以及布置在所述中心部分的相对的第二侧并与所述中心部分的所述第二侧连接的第二侧部分，并且其中，所述第一侧部分和所述第二侧部分中的每一个都包括一个或多个短截线。

11.根据权利要求7所述的滤波器天线，其中，所述贴片相对于对称轴对称。

12.根据权利要求9所述的滤波器天线，其中，所述缺陷地结构包括布置在所述接地层中的一个或多个槽。

13.根据权利要求12所述的滤波器天线，其中，所述缺陷地结构包括与所述贴片的所述中心部分相对应的中心槽。

14.根据权利要求13所述的滤波器天线，其中，所述缺陷地结构还包括布置在所述中心槽的第一侧的第一侧槽和布置在所述中心槽的相对的第二侧的第二侧槽。

15.根据权利要求7所述的滤波器天线，其中，所述微带线网络还包括一个或多个寄生贴片，其与所述贴片可操作地连接。

16.根据权利要求15所述的滤波器天线，其中，所述一个或多个寄生贴片与所述贴片间隔开。

17.根据权利要求16所述的滤波器天线，其中，所述一个或多个寄生贴片包括布置在所述贴片的相对侧的两个寄生贴片。

18.根据权利要求17所述的滤波器天线，其中，所述两个寄生贴片是开槽贴片。

19.根据权利要求18所述的滤波器天线，其中，所述两个寄生贴片与所述贴片等距间隔开并相对于所述贴片对称布置。

20.根据权利要求7所述的滤波器天线，其中，所述贴片天线具有同轴馈电，其延伸穿过所述基体并与所述贴片连接。

21.根据权利要求20所述的滤波器天线，其中，所述同轴馈电连接在所述贴片的一端并且所述滤波元件连接在所述贴片的另一端。

22.一种用于制造滤波器天线的方法，包括：

形成集成了用于吸收或耗散能量的吸收式滤波器的微带天线，包括：

形成微带天线，以及

在所述微带天线中集成用于吸收或耗散能量的吸收式滤波器；

其中，形成所述微带天线包括：

在所述微带天线的基体的第一面上形成微带线网络；

在所述微带线网络中形成缺陷微带结构；以及

在所述微带天线的所述基体的相对的第二面上的接地层上形成缺陷地结构，以及

其中，集成所述吸收式滤波器包括：

在所述基体上形成孔，以用于接收所述吸收式滤波器的滤波元件。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述微带天线是贴片天线。

24.根据权利要求22所述的方法，其中，集成所述吸收式滤波器还包括：

将所述吸收式滤波器的所述滤波元件布置在所述孔中。

25.根据权利要求24所述的方法，其中，将所述吸收式滤波器的所述滤波元件布置在所述孔中包括将所述吸收式滤波器的所述滤波元件大体上完全布置在所述孔中。

26.根据权利要求24所述的方法，还包括：

在所述滤波元件和所述接地层之间形成电连接，以及

在所述滤波元件和所述微带线网络之间形成电连接。

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