CN115377680A - 一种基于叉形枝节与金属柱复合结构的滤波介质谐振器天线 - Google Patents
一种基于叉形枝节与金属柱复合结构的滤波介质谐振器天线 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种基于叉形枝节与金属柱复合结构的滤波介质谐振器天线；该天线包括：上层印刷电路板、下层印刷电路板、上层介质谐振器、下层介质谐振器、微带线和金属柱；上层印刷电路板上表面设置H形微带功分器，H形微带功分器的四端末尾均连接有长枝节线、短枝节线和四分之一波长枝节线，长枝节线的末端连接次级分枝线，金属柱与次级分支线电连接；下层印刷电路板上表面设置金属层，金属层上刻蚀一个矩形微带缝隙和两个互补开口谐振环；贯穿下层印刷电路板和金属层设置两列金属化过孔；下层介质谐振器、上层介质谐振器依次堆叠在长枝节线末端上；本发明在保持天线通带良好辐射性能的同时具有高带外抑制的滤波性能。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种基于叉形枝节与金属柱复合结构的滤波介质谐振器天线。
背景技术
射频前端的天线和滤波器是通信系统中两个不可或缺的器件，为了减轻滤波器置于射频前端给系统带来的压力，通常将滤波功能放于天线部分进行设计以得到更好的性能。而基于滤波器的联合设计等方法存在天线尺寸增大和滤波效果不佳等问题，利用滤波天线融合设计方法采用叉形枝节与金属柱复合结构产生辐射零点能获得良好的滤波功能。另一方面，介质谐振器天线能克服传统天线在毫米波频段等高频率下存在高成本、高欧姆损耗等问题，得到了业内广泛的关注和深入的研究。因此具有高增益并带有滤波特性的介质谐振器天线对5G毫米波应用具有很高的研究价值和应用前景。
现有技术中，将滤波功能放于天线部分进行设计的方法有很多，比如利用天线与滤波器直接级联的方法，但该方法采用级联方式实现滤波特性，使得整体尺寸增大，且匹配问题会降低天线的辐射性能；而利用基于滤波器的联合设计方法将天线不仅作为辐射体，也同时作为滤波器的最后一阶谐振器的方法采用基于滤波器的联合设计方法，天线的增益在频段边沿的滚降度不够高，频率选择性欠佳；另外，利用滤波天线融合设计方法使其产生辐射零点最终获得滤波功能的方法，在宽频率范围内的带外抑制水平不高。
综上所述，亟需一种毫米波滤波介质谐振器天线，能在保持天线通带良好辐射性能的同时具有高带外抑制的滤波性能。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种基于叉形枝节与金属柱复合结构的滤波介质谐振器天线，该天线包括：上层印刷电路板、下层印刷电路板、上层介质谐振器、下层介质谐振器、微带线和金属柱；
所述上层印刷电路板上表面设置有H形微带功分器，H形微带功分器的四端末尾均连接有相互平行的长枝节线和短枝节线，长枝节线的末端连接一与其自身平行的次级分枝线，长枝节线与次级分枝线共同组成叉形枝节，该叉形枝节用于改善天线的带外抑制；H形微带功分器的四端末尾还连接有四分之一波长枝节线；
所述下层印刷电路板上表面设置有金属层，金属层与微带线连接，金属层上刻蚀有一个矩形微带缝隙和两个互补开口谐振环；贯穿下层印刷电路板和金属层设置有两列金属化过孔；
所述下层介质谐振器分别设置在长枝节线末端上，所述上层介质谐振器设置在下层介质谐振器上面，所述金属柱对应长枝节线末端位置从下层介质谐振器底部插入且与叉形枝节电连接，形成叉形枝节与金属柱的复合结构；该复合结构通过将电磁场约束在谐振器内部来改善天线滤波性能。
优选的，长枝节线与H形微带功分器的短臂平行。
优选的，四分之一波长枝节线与长枝节线相互垂直，用于得到良好的阻抗匹配。
优选的，互补开口谐振环由外环型导带和内环形导带构成，外环型导带和内环形导带均为带有开口的圆环结构；外环型导带的开口和内环形导带的开口相互背离设置。
进一步的，两个互补开口谐振环的外环型导带的开口相互背离设置。
优选的，下层介质谐振器为长方体，上层介质谐振器为圆柱体，且下层介质谐振器和上层介质谐振器的中心位于同一直线上。
优选的，下层介质谐振器的相对介电常数大于上层介质谐振器的相对介电常数。
优选的，上层印刷电路板与下层印刷电路板为Rogers 5880材料；上层介质谐振器为Rogers 5880材料，下层介质谐振器为陶瓷材料。
优选的，金属柱的高度范围为0.8mm～1.0mm。
本发明的有益效果为：本发明的基于叉形枝节与金属柱复合结构的滤波介质谐振器天线采用薄介质基片设计基片集成波导，并且采用缝隙耦合H形微带功分器的馈电方式对天线辐射体(两层介质谐振器)进行馈电，具有容易扩展、易于集成等优点。在基片集成波导中加入了互补开口谐振环，并对直接馈电的H形微带功分器进行改进，通过增加次级分枝线组成叉形枝节和在叉形枝节的长枝节线末端加入金属柱的方法，在谐振器内部形成相反的电场并抵消，得到了左右侧对称的辐射零点和高带外抑制的滤波性能，因此天线具有良好的滤波功能，实现了滤波器与天线的一体化设计；此外，本发明采用常规的印刷电路板工艺实现，加工成本低且易于批量生产。
附图说明
图1为本发明中基于叉形枝节与金属柱复合结构的滤波介质谐振器天线俯视图；
图2为本发明中基于叉形枝节与金属柱复合结构的滤波介质谐振器天线侧视图；
图3为本发明中滤波枝节单元结构示意图；
图4为本发明中加载开口谐振环的带通滤波器结构示意图；
图5为本发明中馈电网络俯视图；
图6为本发明中一优选实施例的滤波介质谐振器天线的仿真与测试S参数图；
图7为本发明中一优选实施例的滤波介质谐振器天线的仿真与测试增益图；
图8为本发明中一优选实施例的滤波介质谐振器天线的方向图。
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。
本发明提出了一种基于叉形枝节与金属柱复合结构的滤波介质谐振器天线，如图1、图2所示，所述天线包括：上层印刷电路板、下层印刷电路板、上层介质谐振器、下层介质谐振器、微带线和金属柱；
上层印刷电路板上表面设置有H形微带功分器，H形微带功分器为一类似H形的金属层，优选的，H形微带功分器的H形主体四端末尾有与H形微带功分器的短臂平行一段延伸；如图3所示，H形微带功分器的四端末尾均连接有相互平行的长枝节线和短枝节线，长枝节线的末端连接一与其自身平行的次级分枝线，长枝节线与次级分枝线共同组成叉形枝节；H形微带功分器的四端末尾还连接有四分之一波长枝节线，四分之一波长枝节线与长枝节线之间的夹角大小不限，优选的，四分之一波长枝节线与长枝节线相互垂直，用于得到良好的阻抗匹配；长枝节线与H形微带功分器的短臂平行且与H形微带功分器的长臂垂直。
两条长短不一致的枝节线产生等幅反相的电流，从而在天线通带两侧均产生辐射零点，获得了滤波特性，叉形枝节增强了长枝节线的电流，增加了高频带边沿的滚降度，使天线的带外抑制得到了改善。
所述下层印刷电路板上表面设置有金属层，金属层与微带线连接一端连接，微带线另一端连接天线的输入端口；可选的，微带线连接天线输入端口和金属层的方式可采用共面波导馈电方式替代；金属层上刻蚀有一个矩形微带缝隙和两个互补开口谐振环。矩形微带缝隙功能为馈电缝隙，优选的，如图4所示，互补开口谐振环由外环型导带和内环形导带构成，外环型导带和内环形导带均为带有开口的圆环结构；外环型导带的开口和内环形导带的开口相互背离设置，且两个互补开口谐振环的外环型导带的开口相互背离设置。互补开口谐振环为开口相对环型导带，具有低通特性，具有两排金属化过孔的基片集成波导限制了其内部的电磁场，具有传统波导的高通特性，将两者相结合能获得具有带通特性的滤波器。将带通滤波器与设计好的阵列天线级联，可在通带上边沿产生辐射零点。
贯穿下层印刷电路板和金属层设置有两列金属化过孔，每列金属化过孔分为两段，两列金属化过孔中靠近微带线的两段金属化过孔间的距离小于远离微带线的两段金属化过孔间的距离；带矩形微带缝隙和两排金属化过孔的下层印刷电路板形成底层基片集成波导；基片集成波导通过矩形微带缝隙与H形微带功分器电磁耦合连接；
上层印刷电路板与下层印刷电路板构成层叠式馈电结构，优选的，上层印刷电路板与下层印刷电路板可采用塑料螺钉固定。层叠式结构指在垂直方向上采用堆叠的形式将馈电网络层叠于介质谐振器之下的馈电网络，如图5所示，馈电网络包括基片集成波导、叉形枝节与金属柱复合结构、H形微带功分器。
天线工作时，能量从基片集成波导馈入，通过下层印刷电路板上表面的馈电缝隙(矩形微带缝隙)将能量电磁耦合到H形微带功分器，H形微带功分器通过四个端角输出能量，输出能量为等幅同相，通过将介质谐振器天线水平放置在该H形微带功分器上，能量直接电磁耦合到介质谐振器腔体内部，在腔体内部振荡激励工作模式，最后向外辐射到自由空间中。
四个下层介质谐振器分别设置在四个长枝节线末端上，上层介质谐振器堆叠放置在下层介质谐振器上面，上下两个介质谐振器构成一个天线辐射体，四个天线辐射体形成2×2的阵列，从而实现滤波器和天线的一体化设计。优选的，下层介质谐振器为长方体，上层介质谐振器为圆柱体，且下层介质谐振器和上层介质谐振器的中心位于同一直线上；下层介质谐振器的相对介电常数大于上层介质谐振器的相对介电常数，下层介质谐振器的相对介电常数范围为9～11，上层介质谐振器的相对介电常数范围为2～4。
金属柱对应长枝节线末端位置从下层介质谐振器底部插入且与叉形枝节电连接。优选的，金属柱的高度范围为0.8mm～1.0mm。在叉形枝节的长枝节线末端引入金属柱与其电连接并形成叉形枝节与金属柱的复合结构；现有技术使用两个长短不一致的枝节线来获得滤波响应，与现有技术相比，本发明通过增加次级枝节线且将长枝节线改为叉形枝节线，使得次级枝节线上分布电流，进一步增强了叉形枝节线与介质谐振器的耦合。同时，在一定程度上增加了高频带边沿的滚降度；现有技术通过调整枝节线的长度来控制辐射零点，与现有技术相比，本发明使金属柱与叉形枝节电连接，电连接位于叉形枝节的长枝节线末端与金属柱的连接点处，通过该电连接本发明仅需通过调整金属柱的高度就能独立调谐辐射零点，更简便快速；该叉形枝节与金属柱的复合结构可将叉形枝节线产生的异相电场从谐振器边缘集中在谐振器内部，使得低频阻带的抑制水平得到改善，因此天线具有良好的滤波功能。
上层印刷电路板与下层印刷电路板为Rogers 5880材料；上层介质谐振器为Rogers 5880材料，下层介质谐振器为陶瓷材料。
优选的，在本发明的实施例中，长枝节线长度为1.200mm～1.600mm，短枝节线长度为0.800mm～1.100mm，次级分枝线长度为1.000mm～1.400mm。
优选的，在本发明的实施例中，四分之一波长枝节线长度为1.500mm～2.000mm。
优选的，在本发明的实施例中，金属化过孔的直径为0.200mm～0.600mm，两过孔间的间距为0.400mm～1.200mm。
优选的，在本发明的实施例中，矩形微带缝隙的长度为3.500mm～4.500mm，宽度为0.400mm～0.800mm。
优选的，在本发明的实施例中，外环型导带的外半径为0.500mm～0.600mm、内半径为0.400mm～0.480mm；内环型导带的外半径为0.250mm～0.380mm、内半径为0.100mm～0.230mm。
优选的，在本发明的实施例中，金属柱的高度为0.800mm～1.000mm，直径为0.100mm～0.300mm。
优选的，在本发明的实施例中，上层印刷电路板与下层印刷电路板的厚度均为0.254mm～0.508mm，宽度均为15.000mm；上层印刷电路板长度为16.000mm，下层印刷电路板长度为21.000mm。
优选的，在本发明的实施例中，下层介质谐振器的厚度为1.000mm～1.500mm，相对介电常数为9.800；上层介质谐振器的厚度为0.800mm～1.500mm，相对介电常数为2.200。
在本发明的一优选实施例中，长枝节线长度为1.600mm，短枝节线长度为1.000mm，次级分枝线长度为1.200mm；四分之一波长枝节线长度为1.700mm；金属化过孔的直径为0.300mm，两过孔间的间距为0.500mm；矩形微带缝隙的长度为4.000mm，宽度为0.600mm；外环型导带的外半径为0.570mm、内半径为0.450mm；内环型导带的外半径为0.300mm、内半径为0.150mm；金属柱的高度为0.900mm，直径为0.100mm；上层印刷电路板与下层印刷电路板的厚度均为0.254mm，宽度均为15.000mm；上层印刷电路板长度为16.000mm，下层印刷电路板长度为21.000mm；下层介质谐振器的厚度为1.200mm；上层介质谐振器的厚度为1.000mm。
对本发明进行评价：如图6所示，本发明的基于叉形枝节与金属柱复合结构的滤波介质谐振器天线的带宽为26.28GHz-28.25GHz。如图7所示，在工作频带内，天线的增益大于9.57dB。天线的增益在工作频带内比较稳定，在24.21GHz频点处产生了一个辐射零点，低频的带外增益快速下降到-15.69dB；在30.71GHz频点处产生了一个辐射零点，高频的带外增益快速下降到-27.62dB，低频和高频阻带的抑制水平均超过18dB，展现出良好的滤波特性。如图8所示，图中，a为频率为26.94GHz，phi＝90°的方向图；b为频率为26.94GHz，phi＝0°的方向图；c为频率为27.85GHz，phi＝90°的方向图；d为频率为27.85GHz，phi＝0°的方向图；从图8可以看出，本发明的天线在26.94GHz和27.85GHz视轴方向上交叉极化均大于20dB。
本发明采用常规的印刷电路板工艺实现，加工成本低且易于批量生产。采用厚度仅为0.254mm的薄介质基板设计基片集成波导，以缝隙耦合馈电方式通过H形微带功分器对天线辐射体进行馈电，具有容易扩展、易于集成等优点。采用叉形枝节与金属柱复合结构在谐振器内部产生相反电场并抵消，得到了左右侧对称的辐射零点和高带外抑制的滤波性能，因此天线具有良好的滤波功能，实现了滤波器与天线的一体化设计。
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于叉形枝节与金属柱复合结构的滤波介质谐振器天线，其特征在于，包括：上层印刷电路板、下层印刷电路板、上层介质谐振器、下层介质谐振器、微带线和金属柱；
所述上层印刷电路板上表面设置有H形微带功分器，H形微带功分器的四端末尾均连接有相互平行的长枝节线和短枝节线，长枝节线的末端连接一与其自身平行的次级分枝线，长枝节线与次级分枝线共同组成叉形枝节，该叉形枝节用于改善天线的带外抑制；H形微带功分器的四端末尾还连接有四分之一波长枝节线；
所述下层印刷电路板上表面设置有金属层，金属层与微带线连接，金属层上刻蚀有一个矩形微带缝隙和两个互补开口谐振环；贯穿下层印刷电路板和金属层设置有两列金属化过孔；
所述下层介质谐振器分别设置在长枝节线末端上，所述上层介质谐振器设置在下层介质谐振器上面；
所述金属柱对应长枝节线末端位置从下层介质谐振器底部插入且与叉形枝节电连接，所述金属柱与所述叉形枝节组成复合结构，该复合结构通过将电磁场约束在谐振器内部来改善天线滤波性能。
2.根据权利要求1所述的一种基于叉形枝节与金属柱复合结构的滤波介质谐振器天线，其特征在于，长枝节线与H形微带功分器的短臂平行。
3.根据权利要求1所述的一种基于叉形枝节与金属柱复合结构的滤波介质谐振器天线，其特征在于，四分之一波长枝节线与长枝节线相互垂直，用于得到良好的阻抗匹配。
4.根据权利要求1所述的一种基于叉形枝节与金属柱复合结构的滤波介质谐振器天线，其特征在于，互补开口谐振环由外环型导带和内环形导带构成，外环型导带和内环形导带均为带有开口的圆环结构；外环型导带的开口和内环形导带的开口相互背离设置。
5.根据权利要求4所述的一种基于叉形枝节与金属柱复合结构的滤波介质谐振器天线，其特征在于，两个互补开口谐振环的外环型导带的开口相互背离设置。
6.根据权利要求1所述的一种基于叉形枝节与金属柱复合结构的滤波介质谐振器天线，其特征在于，下层介质谐振器为长方体，上层介质谐振器为圆柱体，且下层介质谐振器和上层介质谐振器的中心位于同一直线上。
7.根据权利要求1所述的一种基于叉形枝节与金属柱复合结构的滤波介质谐振器天线，其特征在于，下层介质谐振器的相对介电常数大于上层介质谐振器的相对介电常数。
8.根据权利要求1所述的一种基于叉形枝节与金属柱复合结构的滤波介质谐振器天线，其特征在于，上层印刷电路板与下层印刷电路板为Rogers 5880材料；上层介质谐振器为Rogers 5880材料，下层介质谐振器为陶瓷材料。
9.根据权利要求1所述的一种基于叉形枝节与金属柱复合结构的滤波介质谐振器天线，其特征在于，金属柱的高度范围为0.8mm～1.0mm。
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