CN115051154B - 一种基于开口阶梯槽的差分宽带端射滤波天线 - Google Patents

一种基于开口阶梯槽的差分宽带端射滤波天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于开口阶梯槽的差分宽带端射滤波天线，属于射频前端器件领域，包括介质基板，所述介质基板下表面设置有金属接地版；所述金属接地板的中部位置刻蚀有1/4λ的二阶阶梯槽，两侧分别刻蚀有长矩形槽；所述介质基板上表面设置有二阶短路闭口环形谐振器，并通过金属通孔贯穿所述二阶短路闭口环形谐振器、介质基板和金属接地板；所述二阶短路闭口环形谐振器的外侧间隔连接差分馈电激励源，内侧依次间隔连接第二微带线和第一微带线。

Description

一种基于开口阶梯槽的差分宽带端射滤波天线
技术领域
本发明属于射频前端器件领域，涉及一种基于开口阶梯槽的差分宽带端射滤波天线。
背景技术
随着近年来无线通信技术的快速迭代，现在射频前端系统的构成从仅仅使用某单一频段向集成多代无线通信技术发展。这种集成宽带的射频前端系统在低功耗、器件小型化的同时维持性能不发生较大改变甚至性能提升方面给业内学者、研究机构和商业公司提出了前所未有的挑战。
传统的单端天线在使用时需要级联巴伦和滤波器，不可避免地会造成能量损耗和导致射频前端电路过大，不利于将其集成在便携式设备中。为了解决级联器件造成射频电路体积大和功耗高的问题，传统的技术方案是将天线设计和滤波器设计进行融合设计，但是仍然会使用巴伦电路，这仍然不能避免系统的整体性能降低，此外常规实现端射辐射的方式都面临体积过大的问题。
另外，现有的天线为了实现端射辐射效果常采用八木结构、Vivaldi结构或1/2λ槽结构，采用这种结构的端射天线电尺寸大，如果级联滤波器和巴伦电路后整个射频前端电路将非常臃肿，而在集成滤波效果的天线中也常采用多层结构，多种介质基板，最后造成整个天线的剖面高度过大。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于开口阶梯槽的差分宽带端射滤波天线，解决端射天线射频前端电路小型化问题。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于开口阶梯槽的差分宽带端射滤波天线，包括介质基板，所述介质基板下表面设置有金属接地板；所述金属接地板的中部位置刻蚀有1/4λ的二阶阶梯槽，两侧分别刻蚀有长矩形槽；所述介质基板上表面设置有二阶短路闭口环形谐振器，并通过金属通孔贯穿所述二阶短路闭口环形谐振器、介质基板和金属接地板；所述二阶短路闭口环形谐振器的外侧间隔连接差分馈电激励源，内侧依次间隔连接第二微带线和第一微带线。
进一步，所述1/4λ的二阶阶梯槽包括第一矩形槽和第二矩形槽，所述第一矩形槽刻蚀在金属接地板的顶部中心位置，所述第二矩形槽连接第一矩形槽的底部中心，向金属接地板的底部延伸。
进一步，所述二阶短路闭口环形谐振器包括一个矩形方框，所述矩形方框内的两侧分别设有中间枝节。
进一步，所述差分馈电激励源包括矩形部和设置在矩形部内侧的倒L部，所述倒L部正对二阶短路闭口环形谐振器。
进一步，所述第一微带线为设有缺口的矩形，所述缺口正对第二微带线；所述第二微带线为长条形。
进一步，所述差分馈电激励源与二阶短路闭口环形谐振器之间的间隔为0.2mm；二阶短路闭口环形谐振器与第二微带线之间的间隔为0.3mm；第二微带线与第一微带线之间的间隔为0.2mm。
进一步，所述介质基板的相对介电常数ε为2.55，损耗角正切为0.0015，厚度为1mm；金属接地板、差分馈电激励源、二阶短路闭口环形谐振器、第一微带线、第二微带线为0.017mm厚度的铜。
进一步，所述金属通孔的半径为0.3mm，高度为1.034mm。
进一步，天线工作的中心频率为4.26GHz，相对带宽为46.95％，即3.26-5.26GHz，带内增益5dBi以上。
本发明的有益效果在于：使用1/4λ的二阶阶梯槽实现端射辐射和初步实现比较宽的-10dB阻抗带宽；使用二阶短路闭口环形谐振器可以将该天线最终阻抗带宽进行拓展；第一微带线和第二微带线能够在增益曲线分别产生高低频辐射零点，从而在不级联滤波器的情况下提高带外抑制水平；通过在金属接地面上刻蚀一对长矩形槽，解决了增加带宽导致的前后相比过低问题；本天线工作的中心频率为4.26GHz，相对带宽为46.95％(3.26-5.26GHz)，带内可实现增益5dBi以上；本天线可直接与射频芯片输出的差分信号级联，从而少去滤波器和巴伦电路的使用，减小射频前端电路尺寸，达到小型化设计目的，简化射频前端电路设计，具有一定的工程实用价值。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明所述基于开口阶梯槽的差分宽带端射滤波天线的结构示意图；
图2为本发明所述基于开口阶梯槽的差分宽带端射滤波天线的尺寸示意图；
图3为本发明所述基于开口阶梯槽的差分宽带端射滤波天线的Sdd11参数、可实现增益(Realized Gain)、前后相比(FTB)仿真曲线；
图4中的(a)、(b)、(c)分别为本发明所述差分宽带端射滤波天线在3.37GHz、4.26GHz、5.15GHz处E面、H面归一化方向图；
附图标记：介质基板1、金属接地板2、差分馈电激励源3、1/4λ的二阶阶梯槽4、一对长矩形槽5、二阶短路闭口环形谐振器6、第一微带线7、第二微带线8、金属通孔9。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
参见附图1-4，本发明为一种基于开口阶梯槽的差分宽带端射滤波天线，该天线包括介质基板1、金属接地板2、差分馈电激励源3、1/4λ(λ为波长)的二阶阶梯槽4、一对长矩形槽5、二阶短路闭口环形谐振器6、第一微带线7、第二微带线8、金属通孔9；
在所述介质基板1的上表面设置差分馈电激励源3、二阶短路闭口环形谐振器6、第一微带线7、第二微带线8；设置在介质基板1的下表面的金属接地板2；金属接地板2中刻蚀1/4λ的二阶阶梯槽4、和一对长矩形槽5；金属通孔9贯穿介质基板1、金属接地板2和二阶短路闭口环形谐振器6的中间枝节。
所述小型差分宽带端射滤波天线天线的介质基板相对介电常数ε为2.55，损耗角正切为0.0015，厚度为1mm；金属接地板2、差分馈电激励源3、二阶短路闭口环形谐振器6、第一微带线7和第二微带线8均使用0.017mm厚度的铜。其余该天线的参数详见表1所示：单位为(mm)。
表1
L 44.5 W 70 tl 5.1 tslot 42.2 tw 12.3
Ls1 17.3 Ws1 3.2 Ls2 14.7 Ws2 20.7 w1 2.7
l1 4.4 l2 1.8 w2 0.2 l3 11.1 g1 0.2
lr1 10.3 lr2 16.4 lr3 6.4 wr3 0.7 g2 0.3
wr1 0.3 wr2 1.4 t1 5.1 t2 5.9 g3 0.3
radius 0.3 ys1 19.5 ys2 7.9 ys3 0.3 ys4 16.4
zs1 0.2 zs2 0.1
参照附图2，图2中标注的天线参数详细值统计在表1中，这些参数使用HFSS2022进行优化得到，其中介质基板厚度h和铜的厚度hcop未在图中标注。
图3为本发明的仿真得到的Sdd11参数、可实现增益(Realized Gain)和前后相比(FTB)随频率变化的曲线图。如图3所示，从仿真结果看Sdd11在-10dB以下的阻抗带宽为46.95％；中心频率为4.26GHz，工作频带为3.26到5.26GHz；仿真的可实现增益曲线表明，带内可实现增益5dBi以上，最大约为7dBi，且在通带内增益响应平坦，此外，在通带的上下边缘各有一个辐射零点，提高了带外抑制水平；仿真的前后相比(FTB)最小值在通带内约为12dB。图4中的(a)、(b)、(c)为仿真的天线在通带内中心频率处和中心频率两侧谐振点(即3.37GHz、4.26GHz、5.15GHz)仿真的E面和H面的方向图，从图中可以看出，天线具有良好的端射辐射特性。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种基于开口阶梯槽的差分宽带端射滤波天线，其特征在于：包括介质基板，所述介质基板下表面设置有金属接地板；所述金属接地板的中部位置刻蚀有1/4λ的二阶阶梯槽，两侧分别刻蚀有长矩形槽，其中λ为波长；所述介质基板上表面设置有二阶短路闭口环形谐振器，并通过金属通孔贯穿所述二阶短路闭口环形谐振器、介质基板和金属接地板；所述二阶短路闭口环形谐振器的外侧间隔连接差分馈电激励源，内侧依次间隔连接第二微带线和第一微带线；
所述1/4λ的二阶阶梯槽包括第一矩形槽和第二矩形槽，所述第一矩形槽刻蚀在金属接地板的顶部中心位置，所述第二矩形槽连接第一矩形槽的底部中心，向金属接地板的底部延伸；
所述二阶短路闭口环形谐振器包括一个矩形方框，所述矩形方框内的两侧分别设有中间枝节；
所述差分馈电激励源包括矩形部和设置在矩形部内侧的倒L部，所述倒L部正对二阶短路闭口环形谐振器；
所述第一微带线为设有缺口的矩形，所述缺口正对第二微带线；所述第二微带线为长条形。
2.根据权利要求1所述的基于开口阶梯槽的差分宽带端射滤波天线，其特征在于：所述差分馈电激励源与二阶短路闭口环形谐振器之间的间隔为0.2mm；二阶短路闭口环形谐振器与第二微带线之间的间隔为0.3mm；第二微带线与第一微带线之间的间隔为0.2mm。
3.根据权利要求1所述的基于开口阶梯槽的差分宽带端射滤波天线，其特征在于：所述介质基板的相对介电常数ε为2.55，损耗角正切为0.0015，厚度为1mm；金属接地板、差分馈电激励源、二阶短路闭口环形谐振器、第一微带线、第二微带线为0.017mm厚度的铜。
4.根据权利要求1所述的基于开口阶梯槽的差分宽带端射滤波天线，其特征在于：所述金属通孔的半径为0.3mm，高度为1.034mm。
5.根据权利要求1所述的基于开口阶梯槽的差分宽带端射滤波天线，其特征在于：天线工作的中心频率为4.26GHz，相对带宽为46.95％，即3.26-5.26GHz，带内增益5dBi以上。
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