CN114976619A - 一种基于多耦合贴片结构的双极化滤波天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多耦合贴片结构的双极化滤波天线，包括第一、二、三介质板，第一介质板上下表面的第一、二覆铜层，第二介质板上表面的第三覆铜层、第三介质板上表面的第四覆铜层，第一、三覆铜层之间的四个黄铜柱，第一、二覆铜层之间的两个金属过孔，第二覆铜层上的第一、二微带馈线和切断缝隙，第一覆铜层上的地板、第一十字型槽线和连接两个金属过孔的微带连接线，第三覆铜层上的矩形驱动贴片和四个梯形寄生贴片，第四覆铜层上的矩形寄生贴片和矩形寄生贴片中心处的第二十字型槽线以及制作于地板与两条微带馈线之间的两个输入端口。本发明整个天线结构简单，且无需额外滤波电路就可实现滤波效果，具有高选择性的辐射效率。
Description
技术领域
本发明涉及天线的技术领域，尤其是指一种基于多耦合贴片结构的双极化滤波天线。
背景技术
滤波天线因其具有良好的辐射特性和滤波特性，近年来被广泛研究。其中，滤波贴片天线相比于滤波缝隙天线，具有良好的边射特性；相比于滤波偶极子天线，具有低剖面的优点。同时，其加工成本低，结构简单等特点使其被广泛应用到无线通信系统中。滤波天线的设计方法多种多样，可在馈电结构中加载多阶谐振器构成带通滤波器，也可在馈电结构中加载具有陷波特性的结构构成带阻滤波器。然而，这些方法由于是在馈电结构中进行改进，难免会带来额外的插入损耗，降低辐射效率。而近年来，无需额外滤波电路的滤波贴片天线得到广泛研究，提出了许多新型滤波贴片天线的设计方法，诸如引入寄生贴片，刻蚀槽线，加载短路柱等方法。然而，大部分滤波贴片天线仅具有单极化特性，且由于其结构的不对称性，难以应用到双极化天线中。而双极化天线具有减小多径干扰和增大信道容量的优点，更具有应用前景和价值。
对现有技术进行调查了解，具体如下：
章秀银教授等人在2016年提出，利用堆叠贴片，加载短路柱，刻蚀U型槽线的方法，可以一个实现具有滤波特性的贴片天线，通过引入多种寄生结构，在特定频点处扰乱辐射体的电流分布，从而实现辐射零点，提高选择性。但该结构中，三个短路柱和U型槽线的位置具有较为严格的要求，不具备中心对称性，难以拓展为双极化应用。
薛泉教授等人在2018年提出一种加载上层寄生贴片，并引入多条从源端到辐射贴片的耦合路径来实现滤波效果的滤波贴片天线。由于耦合路径之间在通带两侧均具有180°相位差，因此可以引入左右两个传输零点，提高选择性，实现滤波效果。但该天线的增益较小，只有5.5dBi，且其仅为单极化特性。
车文荃教授等人在2019年提出了一种通过在矩形贴片表面刻蚀开口环形槽线以及在贴片下方加载U型微带线，实现宽带滤波效果的方法。但该天线在宽带方位内的方向图不稳定，且仅在单极化中应用。
总的来说，现有的工作中，有不少关于无需额外滤波电路的滤波贴片天线的研究，但是很多结构仅适合单极化，同时需要加载多种结构进行电流扰动产生辐射零点。因此，设计一款简单有效的双极化滤波贴片天线具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种基于多耦合贴片结构的双极化滤波天线，整个天线结构简单，且无需额外滤波电路就可实现滤波效果，具有高选择性的辐射效率。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种基于多耦合贴片结构的双极化滤波天线，该双极化滤波天线包括第一介质板、第二介质板、第三介质板和用于短路连接的四个黄铜柱；所述第二介质板位于第一介质板上方，它们之间形成有第一空气层；所述第三介质板位于第二介质板上方，它们之间形成有第二空气层；所述第一介质板的上表面设有用作反射地板的第一覆铜层，所述第一介质板的下表面设有用于双极化馈电输入的第二覆铜层，所述第一介质板上设有位于第一覆铜层和第二覆铜层之间的两个金属过孔；所述第二介质板的上表面设有第三覆铜层，所述第三介质板的上表面设有第四覆铜层；所述第二覆铜层上分别设有用于x轴极化馈电输入的第一微带馈线和用于y轴极化馈电输入的第二微带馈线，两条微带馈线正交放置，为避免两条微带馈线有交叉重叠，在其中一条微带馈线上刻蚀一个切断缝隙；所述第一覆铜层上分别设有用作反射面的地板、用于能量耦合的第一十字型槽线和用于连接两个金属过孔的微带连接线，所述地板与两条微带馈线之间设有两个输入端口，所述微带连接线连接两个金属过孔的同时，也弥补了切断缝隙，形成完整的输入馈线；所述第三覆铜层上分别设有矩形驱动贴片和四个梯形寄生贴片，所述第一十字型槽线能够将能量耦合到矩形驱动贴片上，四个梯形寄生贴片环绕于矩形驱动贴片周边，四个黄铜柱分别加载在四个梯形寄生贴片的中心，能够等效为一个垂直放置的缺口环谐振器，四个黄铜柱位于第一覆铜层和第三覆铜层之间，所述矩形驱动贴片与四个梯形寄生贴片之间形成有第一间隙，用于调节两者之间的电耦合，从而控制低频辐射零点移动，两两相邻的梯形寄生贴片之间形成有第二间隙，用于调节梯形寄生贴片之间的电容效应，即调节缺口环谐振器的等效电容值，从而调整谐振频率；所述第四覆铜层上设有矩形寄生贴片和位于矩形寄生贴片中心处的第二十字型槽线，所述矩形寄生贴片与矩形驱动贴片之间为磁耦合，能够通过调整第二空气层的高度和第二十字型槽线的尺寸来控制。
进一步，该双极化滤波天线能够在3.13GHz-3.82GHz的范围内稳定工作，在3.13GHz-3.82GHz的频率范围内反射系数小于-10dB，在3.13GHz-3.82GHz的频率范围内隔离度优于20dB，在中心频率3.5GHz处增益为10dBi，在3.115GHz频率处和3.97GHz频率处具有明显的辐射零点，在3.5GHz频率处的辐射效率为93％。
进一步，所述第一介质板、第二介质板和第三介质板的介电常数均为2.55，损耗角正切为0.0019，厚度均为1mm。
进一步，所述第一空气层的厚度为2mm，第二空气层的厚度为4mm。
进一步，所述黄铜柱的高度为3mm。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明双极化滤波天线无需额外滤波电路即可实现具有高选择性的滤波效果。
2、本发明双极化滤波天线在3.13GHz-3.82GHz频率范围内稳定工作，隔离度高于20dB，在中心频率3.5GHz处的效率达到93％。
3、本发明双极化滤波天线在中心频率3.5GHz处的增益为10dBi，在3.115GHz和3.97GHz频率处具有明显的辐射零点。
4、本发明双极化滤波天线的结构简单可靠，加工成本低，具有很好的应用前景。
附图说明
图1为本实施例的双极化滤波天线的侧视图。
图2为本实施例的双极化滤波天线的第一介质板上表面的覆铜层结构图。
图3为本实施例的双极化滤波天线的第一介质板下表面的覆铜层结构图。
图4为本实施例的双极化滤波天线的第二介质板上表面的覆铜层结构图。
图5为本实施例的双极化滤波天线的第三介质板上表面的覆铜层结构图。
图6为本实施例的双极化滤波天线的S参数仿真结果图。
图7为本实施例的双极化滤波天线的增益与效率曲线仿真结果图。
图8为本实施例的双极化滤波天线的中心频率的方向图仿真结果图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
参见图1至图5所示，本实施例提供了一种基于多耦合贴片结构的双极化滤波天线，包括第一介质板1、位于第一介质板1上表面的第一覆铜层2、位于第一介质板1下表面的第二覆铜层3、第二介质板4、位于第二介质板2上表面的第三覆铜层5、第三介质板6、位于第三介质板6上表面的第四覆铜层7、位于第一介质板1与第二介质板4之间的第一空气层8、位于第二介质板4和第三介质板6之间的第二空气层9、位于第一覆铜层2与第三覆铜层5之间用于短路连接的四个黄铜柱10、位于第一覆铜层2与第二覆铜层3之间的两个金属过孔11、位于第二覆铜层3上用于x轴极化馈电输入的第一微带馈线12、用于y轴极化馈电输入的第二微带馈线13、为避免两条微带馈线交叉重叠的切断缝隙14、位于第一覆铜层2上用作反射面的地板15、位于第一覆铜层2上用于能量耦合的第一十字型槽线16、位于第一覆铜层2上连接两个金属过孔11的微带连接线17、位于第三覆铜层5上的矩形驱动贴片18、位于第三覆铜层5上的四个梯形寄生贴片19、位于矩形驱动贴片18和四个梯形寄生贴片19之间的第一间隙20、两两相邻梯形寄生贴片19之间的第二间隙21、位于第四覆铜层7上的矩形寄生贴片22、位于矩形寄生贴片22中心处的第二十字型槽线23以及制作于地板15与两条微带馈线之间的两个输入端口24。设计中第一介质板1、第二介质板4和第三介质板6的介电常数均为2.55，损耗角正切为0.0019，厚度均为1mm；第一空气层8的厚度为2mm、第二空气层9的厚度为4mm；黄铜柱10的高度为3mm。
参见图1所示，显示了本实施例上述双极化滤波天线的侧视图，整个天线由三层介质板、两层空气层、四个黄铜柱10和两个金属过孔11等组成。第一空气层8的主要作用是为了第一微带馈线12、第二微带馈线13与矩形驱动贴片18之间的耦合，第二空气层9的主要作用是为了调节矩形驱动贴片18与矩形寄生贴片22之间的耦合。
参见图2所示，显示了本实施例上述双极化滤波天线的第一介质板1上表面的覆铜层结构，包括地板15、第一十字型槽线16和微带连接线17。地板15的尺寸为105mm×105mm，第一十字型槽线16的长为21.5mm、宽为2mm，微带连接线17的长为5mm、宽为1.7mm。第一十字型槽线16可将能量耦合到矩形驱动贴片18上，微带连接线17可以连接两个金属过孔11，同时弥补第二微带馈线13的切断缝隙14，形成完整的输入馈线。
参见图3所示，显示了本实施例上述双极化滤波天线的第一介质板1下表面的覆铜层结构图，包括第一微带馈线12、第二微带馈线13和切断缝隙14。两条微带馈线正交放置，可以分别激励x轴极化和y轴极化。为了避免两条微带馈线有交叉重叠，在第二微带馈线13上刻蚀一个切断缝隙14。
参见图4所示，显示了本实施例上述双极化滤波天线的第二介质板4上表面的覆铜层结构图，包括一个矩形驱动贴片18、四个梯形寄生贴片19、第一间隙20和第二间隙21。矩形驱动贴片18的尺寸为28mm×28mm，四个梯形寄生贴片19环绕于矩形驱动贴片18周边，四个黄铜柱10分别加载在四个梯形寄生贴片19的中心(即一个黄铜柱10对应一个梯形寄生贴片19)，可以等效为一个垂直放置的缺口环谐振器。矩形驱动贴片18与四个梯形寄生贴片19之间形成有第一间隙20，可以调节两者之间的电耦合，从而控制低频辐射零点的移动。两两相邻的梯形寄生贴片19之间形成有第二间隙21，可以调节梯形寄生贴片19之间的电容效应，即调节缺口环谐振器的等效电容值，从而调整谐振频率。
参见图5所示，显示了本实施例上述双极化滤波天线的第三介质板6上表面的覆铜层结构图，包括矩形寄生贴片22和第二十字型槽线23。矩形寄生贴片22的尺寸为25mm×25mm，第二十字型槽线23的长为18mm、宽为2mm。矩形寄生贴片22与矩形驱动贴片18之间为磁耦合，可通过调整第二空气层9的高度和第二十字型槽线23的尺寸来控制。
参见图6所示，显示了本实施例上述双极化滤波天线的S参数仿真结果图。从仿真结果可以看到，反射系数小于-10dB的频率范围为3.13GHz-3.82GHz，相对带宽超过了19.7％，且在3.13GHz-3.82GHz的频率范围内，隔离度优于20dB。
参见图7所示，显示了本实施例上述双极化滤波天线的增益与效率仿真结果图。从仿真结果可以看到，在3.13GHz-3.82GHz的频率范围内，天线的辐射效率较高，且在中心频率3.5GHz处效率达到93％。增益在中心频率3.5GHz处达到10dBi，且在3.115GHz和3.97GHz处具有两个辐射零点，极大地提高了选择性。
参见图8所示，显示了本实施例上述双极化滤波天线在中心频率3.5GHz处的仿真方向图。从仿真结果可以看到，本发明天线可以在中心频率的方向图为边射特性，且E面的半功率波束宽度为66.11°，H面的半功率波束宽度为65.86°，其交叉极化水平为-40dB。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于多耦合贴片结构的双极化滤波天线，其特征在于：该双极化滤波天线包括第一介质板、第二介质板、第三介质板和用于短路连接的四个黄铜柱；所述第二介质板位于第一介质板上方，它们之间形成有第一空气层；所述第三介质板位于第二介质板上方，它们之间形成有第二空气层；所述第一介质板的上表面设有用作反射地板的第一覆铜层，所述第一介质板的下表面设有用于双极化馈电输入的第二覆铜层，所述第一介质板上设有位于第一覆铜层和第二覆铜层之间的两个金属过孔；所述第二介质板的上表面设有第三覆铜层，所述第三介质板的上表面设有第四覆铜层；所述第二覆铜层上分别设有用于x轴极化馈电输入的第一微带馈线和用于y轴极化馈电输入的第二微带馈线，两条微带馈线正交放置，为避免两条微带馈线有交叉重叠，在其中一条微带馈线上刻蚀一个切断缝隙；所述第一覆铜层上分别设有用作反射面的地板、用于能量耦合的第一十字型槽线和用于连接两个金属过孔的微带连接线，所述地板与两条微带馈线之间设有两个输入端口，所述微带连接线连接两个金属过孔的同时，也弥补了切断缝隙，形成完整的输入馈线；所述第三覆铜层上分别设有矩形驱动贴片和四个梯形寄生贴片，所述第一十字型槽线能够将能量耦合到矩形驱动贴片上，四个梯形寄生贴片环绕于矩形驱动贴片周边，四个黄铜柱分别加载在四个梯形寄生贴片的中心，能够等效为一个垂直放置的缺口环谐振器，四个黄铜柱位于第一覆铜层和第三覆铜层之间，所述矩形驱动贴片与四个梯形寄生贴片之间形成有第一间隙，用于调节两者之间的电耦合，从而控制低频辐射零点移动，两两相邻的梯形寄生贴片之间形成有第二间隙，用于调节梯形寄生贴片之间的电容效应，即调节缺口环谐振器的等效电容值，从而调整谐振频率；所述第四覆铜层上设有矩形寄生贴片和位于矩形寄生贴片中心处的第二十字型槽线，所述矩形寄生贴片与矩形驱动贴片之间为磁耦合，能够通过调整第二空气层的高度和第二十字型槽线的尺寸来控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于多耦合贴片结构的双极化滤波天线，其特征在于：该双极化滤波天线能够在3.13GHz-3.82GHz的范围内稳定工作，在3.13GHz-3.82GHz的频率范围内反射系数小于-10dB，在3.13GHz-3.82GHz的频率范围内隔离度优于20dB，在中心频率3.5GHz处增益为10dBi，在3.115GHz频率处和3.97GHz频率处具有明显的辐射零点，在3.5GHz频率处的辐射效率为93％。
3.根据权利要求1所述的一种基于多耦合贴片结构的双极化滤波天线，其特征在于：所述第一介质板、第二介质板和第三介质板的介电常数均为2.55，损耗角正切为0.0019，厚度均为1mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于多耦合贴片结构的双极化滤波天线，其特征在于：所述第一空气层的厚度为2mm，第二空气层的厚度为4mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于多耦合贴片结构的双极化滤波天线，其特征在于：所述黄铜柱的高度为3mm。
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