CN115275603A - 一种基于馈电枝节的微带滤波天线 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微带天线技术领域，具体涉及一种基于馈电枝节的微带滤波天线；包括上层介质基板和下层介质基板，上层介质基板和下层介质基板之间设置有金属地平面，金属地平面上表面设置有耦合缝隙；上层介质基板上表面设置有高频辐射平面、中频辐射平面和低频辐射平面；下层介质基板下表面设置有馈电端口、匹配枝节、短路枝节、短路金属铜柱和开路枝节；本发明充分利用微带天线的电磁分布，利用相邻辐射平面之间的电耦合，引入一个辐射零点在通带上边缘，同时充分利用天线的馈电枝节，引入一个辐射零点在通带下边缘，最终实现滤波天线的融合设计。
Description
技术领域
本发明属于微带天线技术领域，具体涉及一种基于馈电枝节的微带滤波天线。
背景技术
随着第五代大规模多输入多输出(MIMO)技术的应用，通信设备功能的增加，射频器件也成倍增加，导致射频前端系统空间非常拥挤。滤波天线是一种集成天线和滤波器于一体的电路元件，因此具有简化设计、缩小占用横向面积、提升天线增益等优点，改善了传统设计的不足，使其在远距离通信中具有非常高的应用前景。
微带天线具有剖面薄、体积小、重量轻、能与有源电路集成、加工简便、造价低等优点。这些特性决定了其在无线通信方向具有广泛的应用前景。随着对微带天线研究的深入，它在军事雷达，通信，医疗探伤，电子对抗，环境监测等方面均具有巨大的应用潜力，引起了学术界和工业界的高度重视。
目前已报道的微带滤波天线为了实现滤波特性大多采用级联设计或采用立体悬置耦合结构，而级联设计方案明显缺点在于滤波器和天线之间匹配困难，造成较差的回波损耗；不可避免地造成较大体积，这对前端系统本就非常紧缺的空间来说非常不友好，最重要的是滤波器会引入额外的插入损耗从而降低天线增益，降低通信质量。悬置结构易在实际加工过程造成较大误差。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于馈电枝节的微带滤波天线，包括上层介质基板和下层介质基板，上层介质基板和下层介质基板之间设置有金属地平面，金属地平面上表面设置有耦合缝隙；上层介质基板上表面设置有高频辐射平面、中频辐射平面和低频辐射平面；下层介质基板下表面设置有馈电端口、匹配枝节、短路枝节、短路金属铜柱和开路枝节。
进一步的，高频辐射平面、中频辐射平面和低频辐射平面为长度相同的矩形平面，在上层介质基板的上表面并排分布，且每两个辐射平面间的间隔距离相同，使得保持高频辐射平面和低频辐射平面保持相同的磁耦合，改善带外抑制。
进一步的，高频、中频和低频辐射平面的长度都为31mm，高频辐射平面的宽度为13mm，中频辐射平面的宽度为15.5mm，低频辐射平面的宽面为20mm。
进一步的，每两个辐射平面间的间隔距离为10mm。
进一步的，馈电端口、匹配枝节、短路枝节和开路枝节均为矩形，馈电端口右侧与匹配枝节左侧相接，匹配枝节右侧与短路枝节左侧相接，短路枝节右侧与开路枝节左侧相接。
进一步的，在短路枝节的上下两端分别设置有一个短路金属铜柱。
进一步的，上层介质基板、下层介质基板和金属地平面宽度相同，都是80mm，上层介质基板的长为80mm，下层介质基板的长为85mm，金属地平面长为85mm。
进一步的，上层介质基板的厚度为3.048mm，下层介质基板的厚度为0.508mm。
进一步的，耦合缝隙为矩形，其长为16mm，宽为1.5mm。
本发明的有益效果：
本发明充分利用微带天线的电磁分布，利用相邻辐射平面之间的磁耦合，引入一个辐射零点在通带上边缘，同时充分利用天线的馈电枝节，引入一个辐射零点在通带下边缘，最终实现滤波天线的融合设计。没有额外的滤波器极大的降低了天线和滤波器所占用的横向面积，提升天线增益，从而可提升无线通信质量。此外本发明通带左右两个零点由辐射平面和传输线分别引入，所以带外抑制有极大改善，且设计基板之间紧密贴合，所以易加工，误差较小。
本发明采用金属铜柱的感性，枝节和地平面之间的容性构成LC谐振滤波，进一步小型化滤波结构，其次添加匹配枝节有利于天线和馈电枝节之间的阻抗匹配，改进了空气悬置结构调节阻抗匹配、加工时高度手动固定精度不能保证，若采用贴合结构回波损耗和矩形系数又变差问题。短/开路枝节兼顾用于天线阻抗匹配作用和滤波作用，改进了带外抑制、回波损耗、剖面低不能兼顾问题。辐射平面采用磁耦合进一步提升上通带外滤波效果，仿真数据结果证明也达到相应效果。
附图说明
图1为本发明实施例的微带滤波天线结构图；
图2为本发明实施例的上层介质基板平面图；
图3为本发明实施例的下层介质基板平面图；
图4为本发明实施例的金属地平面的平面图；
图5为本发明实施例的微带滤波天线侧视图；
图6为本发明实施例的滤波天线仿真图；
图7为本发明实施例的E面极化方向图；
图8为本发明实施例的H面极化方向图；
其中，1-馈电端口，2-匹配枝节，3-短路枝节，4-短路金属铜柱，5-开路枝节，6-下层介质基板，7-耦合缝隙，8-金属地平面，9-上层介质基板，10-高频辐射平面，11-中频辐射平面，12-低频辐射平面。
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。
随着第五代大规模多输入多输出(MIMO)技术的应用，通信设备功能的增加，射频器件也成倍增加，导致射频前端系统空间非常紧缺。目前已报道的微带滤波天线为实现滤波特性大多采用级联方案和多层交叉耦合方案，而级联设计明显不足在于占用较多的空间资源、匹配困难导致较差的回波损耗、滤波器会引入插入损耗降低天线增益。为解决传统微带滤波天线紧凑性低、增益低，设计复杂，带外抑制差等问题，本发明采用一种新的设计方案，充分利用微带天线的电磁分布，利用相邻辐射平面之间的电耦合，引入一个辐射零点在通带上边缘，同时充分利用天线的馈电枝节，引入一个辐射零点在通带下边缘，最终实现滤波天线的融合设计。
一种基于馈电枝节的微带滤波天线，如图1所示，包括：上层介质基板9和下层介质基板6，上层介质基板9和下层介质基板6之间设置有金属地平面8，金属地平面8上表面设置有耦合缝隙7；上层介质基板9上表面设置有高频辐射平面10、中频辐射平面11和低频辐射平面12；下层介质基板6下表面设置有馈电端口1、匹配枝节2、短路枝节3、短路金属铜柱4和开路枝节5。
具体地，高频辐射平面、中频辐射平面和低频辐射平面为长度相同的矩形平面，在上层介质基板的上表面并排分布，且每两个辐射平面间的间隔距离相同。
具体地，馈电端口、匹配枝节、短路枝节和开路枝节均为矩形，馈电端口右侧与匹配枝节左侧相接，匹配枝节右侧与短路枝节左侧相接，短路枝节右侧与开路枝节左侧相接，在短路枝节的上下两端分别设置有一个短路金属铜柱。
具体地，上层介质基板、下层介质基板和金属地平面宽度相同，下层介质基板和金属地平面的长度相同。
微带滤波天线是一种能够实现滤波和辐射功能的器件，具有尺寸小、结构紧凑、加工成本低的特点。传统的微带滤波天线主要由输入端、微带传输线、耦合缝隙、辐射平面组成，其中滤波由顶层辐射平面兼顾。其工作原理为：信号从输入端口输入，经过微带线传输信号，再通过缝隙耦合到辐射平面，之后再由辐射平面实现天线辐射信号功能和滤波器滤波功能。
本实施例的微带滤波天线中，信号从馈电端口1输入，由短路枝节3、短路金属铜柱4和开路枝节5构成LC谐振电路结构，即为了进一步小型化滤波结构，利用金属铜柱4的感性，枝节和地平面之间的容性构成LC谐振滤波，引入一个辐射零点在下通带边缘，通过调整短路枝节3、短路金属铜柱4和开路枝节5的尺寸来调整下通带边缘的辐射零点位置，耦合缝隙7实现馈电枝节到辐射平面的耦合，且不同大小的高频辐射平面10、中频辐射平面11和低频辐射平面12产生三个谐振频点来拓展天线的带宽，同时利用三个辐射平面之间的电耦合引入一个上辐射零点，通过调整平面之间的间距调整上辐射零点的位置。简化了传统天线在馈电端口的设计，缩减滤波器所占用的横向面积，进一步提高天线和滤波器的紧凑性。
在一实施例中，如图2-5所示，微带滤波天线的上层介质基板的长度LP3为80mm，宽度为WP380mm，厚度H2为3.048mm；下层介质基板的长度LP1为85mm，宽度WP1为80mm，厚度H1为0.508mm；上层介质基板和下层介质基板之间设置有金属地平面，金属地平面长度LP2为85mm，宽度WP2为80mm；在距离金属地平面上表面的左边缘L7＝34.5mm处设置有矩形的耦合缝隙，其长度L6为16mm，宽度G1为1.5mm。
具体地，在距离上层介质基板上表面的左边缘L8＝25mm处，设置有并排分布的高频辐射平面、中频辐射平面和低频辐射平面，高频辐射平面、中频辐射平面和低频辐射平面为长度相同的矩形平面，长度Lr1,Lr2,Lr3都是31mm，且每两个辐射平面间的间隔距离t1、t2相同，为10mm；高频辐射平面的宽度S1为13mm，中频辐射平面的宽度S2为15.5mm，低频辐射平面的宽度S3为20mm。
具体地，从下层介质基板下表面的左边缘起，设置有馈电端口、匹配枝节、短路枝节、短路金属铜柱和开路枝节；馈电端口、匹配枝节、短路枝节和开路枝节均为矩形，馈电端口右侧与匹配枝节左侧相接，匹配枝节右侧与短路枝节左侧相接，短路枝节右侧与开路枝节左侧相接，在短路枝节的上下两端分别设置有一个短路金属铜柱；其中馈电端口的长度L1为32mm，宽度W1为1.16mm；匹配枝节的长度L2为13mm，宽度W2为5mm；开路枝节的长度L3为13.4mm，宽度W3为3mm。
本发明充分利用天线的馈电枝节，实现下边带抑制，辐射平面实现上边带抑制，其仿真结果如图6-8所示。从图6可以看出，左侧S-parameter参数在通带内保持-20dB以下，具有非常好的回波损耗性能，从右侧增益曲线可以看到带外抑制优于16.9dB，实现非常好的滤波特性；图7为天线的E面辐射方向图，具有非常低的交叉极化-30dB，呈定向辐射特性；图8为天线的H面辐射方向图，具有非常低的交叉极化-20dB，呈定向辐射特性。由仿真结果可以看出带外抑制达到16.9dBi，回波损耗(S11)的工作频率范围在2.25～2.47GHz、天线增益(Realized Gain)在通带范围内达到最高值～6.4dBi，实现较宽带宽和较高的增益。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，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在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种基于馈电枝节的微带滤波天线，其特征在于，包括上层介质基板和下层介质基板，上层介质基板和下层介质基板之间设置有金属地平面，金属地平面上表面设置有耦合缝隙；上层介质基板上表面设置有高频辐射平面、中频辐射平面和低频辐射平面；下层介质基板下表面设置有馈电端口、匹配枝节、短路枝节、短路金属铜柱和开路枝节。
2.根据权利要求1所述的一种基于馈电枝节的微带滤波天线，其特征在于，高频辐射平面、中频辐射平面和低频辐射平面为长度相同的矩形平面，在上层介质基板的上表面并排分布，且每两个辐射平面间的间隔距离相同。
3.根据权利要求2所述的一种基于馈电枝节的微带滤波天线，其特征在于，高频、中频和低频辐射平面的长度都为31mm，高频辐射平面的宽度为13mm，中频辐射平面的宽度为15.5mm，低频辐射平面的宽面为20mm。
4.根据权利要求3所述的一种基于馈电枝节的微带滤波天线，其特征在于，每两个辐射平面间的间隔距离为10mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于馈电枝节的微带滤波天线，其特征在于，馈电端口、匹配枝节、短路枝节和开路枝节均为矩形，馈电端口右侧与匹配枝节左侧相接，匹配枝节右侧与短路枝节左侧相接，短路枝节右侧与开路枝节左侧相接。
6.根据权利要求5所述的一种基于馈电枝节的微带滤波天线，其特征在于，在短路枝节的上下两端分别设置有一个短路金属铜柱。
7.根据权利要求1所述的一种基于馈电枝节的微带滤波天线，其特征在于，上层介质基板、下层介质基板和金属地平面宽度相同，都是80mm，上层介质基板的长为80mm，下层介质基板的长为85mm，金属地平面长为85mm。
8.根据权利要求7所述的一种基于馈电枝节的微带滤波天线，其特征在于，上层介质基板的厚度为3.048mm，下层介质基板的厚度为0.508mm。
9.根据权利要求1所述的一种基于馈电枝节的微带滤波天线，其特征在于，耦合缝隙为矩形，其长为16mm，宽为1.5mm。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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