CN115441172A - 一种双频微波滤波器高增益天线集成式微波器件 - Google Patents

一种双频微波滤波器高增益天线集成式微波器件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双频微波滤波器高增益天线集成式微波器件，包括介质基板，所述介质基板的表面设置有一个单极子天线模块和两个双频滤波模块，所述单极子天线模块包括天线辐射机构，所述介质基板的表面设置有微带线和第二微带线，所述天线辐射机构的一端通过微带线连接有第一信号输入端口，所述第一信号输入端口设置在介质基板的表面，所述天线辐射机构的一端通过微带线连接有第二射频PIN二极管开关，所述第二射频PIN二极管开关设置在天线辐射机构和第一信号输入端口之间，本发明公开的双频微波滤波器高增益天线集成式微波器件具有实现了频率可重构滤波天线由超宽带到窄带的自由切换，频率选择性好的效果。

Description

一种双频微波滤波器高增益天线集成式微波器件
技术领域
本发明涉及通信天线技术领域，尤其涉及一种双频微波滤波器高增益天线集成式微波器件。
背景技术
信息时代的潮流不断向前迈进，作为其主要推手的信息科技也在不断地发展，日新月异。现代科技中，通信技术无疑是发展速度最为迅猛的一个方向。作为通信前端的天线模块，它不仅是信号的辐射源，同时也充当空间中无线电波的接收工具，自然发挥着举足轻重的作用。天线在军用与民用方面都有很大的应用空间。军用方面，耳熟能详的就是雷达天线、无线卫星通讯等等。民用方面，例如Wi-Fi无线路由器、手机天线、基站天线等等，都经常出现在生活中。
自从19世纪末俄国科学家波波夫发明了无线电天线之后，天线技术得到了经久不息的发展。随着社会的进步、产品的升级换代，天线逐渐走入寻常百姓家。现代天线已经从传统的单一化走向多样化，大型化走向集成化、小型化。现代天线的种类多种多样，按种类和功能分，常用的有：微带天线、定向天线、八木天线、单极子天线、偶极子天线、鞭状天线、环形天线、碟形天线、喇叭天线、透镜天线、介质天线，螺旋天线等等。每种特定的天线都有其特殊的优势和缺憾。
如若单独使用在某种情况，一旦环境发生变化，天线的性能难免会受到某些限制，这时候一些多功能集成的天线就应时而生了。在频谱资源日渐匮乏和追求低成本高效率的今天，这些天线可以更好地符合现代通讯的复杂要求，降低一定的硬件生产成本，具有极高的研究前景。可重构天线即是其中之一，其包含多种可重构方法，例如方向图可重构、极化可重构，频率可重构等等方式。其中频率可重构，即在同一个天线上实现多个频带的切换，使其具有多频带特性。它通常运用在手机天线和卫星，飞机等设备上，有着很好的应用价值。同时，滤波器也是射频系统里的重要部分，天线和滤波器的尺寸和性能对射频电路的影响极大。为了将天线与滤波器的优势结合起来，一些科学家创造性地提出了“滤波天线”的理念，即将滤波器作为天线的一部分，对其进行整体性设计。这样既可以减小器件的体积，明显降低系统的复杂度，又能改善天线的带外抑制特性，提高其整体性能。
发明内容
本发明公开一种双频微波滤波器高增益天线集成式微波器件，旨在解决如何顺应技术发展的潮流，在现有技术的基础上提升滤波器的性能的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种双频微波滤波器高增益天线集成式微波器件，包括介质基板，所述介质基板的表面设置有一个单极子天线模块和两个双频滤波模块，所述单极子天线模块包括天线辐射机构，所述介质基板的表面设置有微带线和第二微带线，所述天线辐射机构的一端通过微带线连接有第一信号输入端口，所述第一信号输入端口设置在介质基板的表面，所述天线辐射机构的一端通过微带线连接有第二射频PIN二极管开关，所述第二射频PIN二极管开关设置在天线辐射机构和第一信号输入端口之间，两个所述双频滤波模块包括交叉型发卡滤波器，所述交叉型发卡滤波器的一端通过第二微带线连接有第二信号输入端口，所述第二信号输入端口设置在介质基板的表面，所述交叉型发卡滤波器的另一端通过第二微带线连接有射频PIN二极管开关，所述交叉型发卡滤波器通过射频PIN二极管开关与天线辐射机构相连，两个所述双频滤波模块还包括嵌套型开环滤波器，所述嵌套型开环滤波器的一端通过第二微带线连接有第三信号输入端口，所述第三信号输入端口设置在介质基板的表面，所述嵌套型开环滤波器的另一端通过第二微带线连接有第三射频PIN二极管开关，所述嵌套型开环滤波器通过第三射频PIN二极管开关与天线辐射机构连接，所述介质基板厚度为1.6mm，材料为FR-4，相对介电常数为4.4，介电损耗常数为0.02。
通过设置有交叉型发卡滤波器和嵌套型开环滤波器，介质基板上表面的滤波结构包括交叉型发卡滤波器和嵌套型开环滤波器，发挥带通滤波器的作用，前者由U型贴片、第二U型贴片、第三U型贴片三个U型结构谐振器构成，第二U型贴片与U型贴片、第三U型贴片相互交叉并与左端的第二微带线相连，可以滤除杂波，配合天线辐射机构实现2.4G WLAN窄带通信，后者由外开环滤波器贴片和内开环滤波器贴片两个矩形开口环谐振器嵌套而成，两个开口环谐振器之间有一定的空隙并与右端的第二微带线相连，滤除杂波，与天线辐射机构连接时实现5.2G WLAN窄带通信，通过控制对射频PIN二极管开关、第二射频PIN二极管开关、第三射频PIN二极管开关的通断，可以自由地根据实际需要，在超宽带、2.4G窄带、5.2G窄带三种状态之间进行切换，具有较好的频率选择性和带外抑制性。
在一个优选的方案中，所述天线辐射机构包括辐射贴片，所述辐射贴片的一端连接有四分之一波长变换器，所述四分之一波长变换器的一端与微带线相连，所述辐射贴片的结构是采用在矩形贴片的两侧底端减去两个正方形边角，矩形贴片的尺寸为25.8mm*20mm，减去的正方形边角为两个边长为3.5mm的正方形，所述微带线为欧姆微带线，用于接收由第一信号输入端口馈入的射频信号。
通过设置有四分之一波长变换器，可平衡天线辐射机构和第一信号输入端口的阻抗，即便两者的阻抗不同，也可在四分之一波长变换器的作用下匹配两者的阻抗，增强信号传输的稳定性。
在一个优选的方案中，所述交叉型发卡滤波器包括U型贴片、第二U型贴片和第三U型贴片，所述U型贴片和第三U型贴片的规格一致，所述第二U型贴片交叉入U型贴片和第三U型贴片的空隙插槽中，并接收由第二信号输入端口馈入的射频信号，所述嵌套型开环滤波器包括外开环滤波器贴片和内开环滤波器贴片，所述内开环滤波器贴片嵌在外开环滤波器贴片的内部，所述内开环滤波器贴片和外开环滤波器贴片的本体为开口的矩形环，且内开环滤波器贴片和外开环滤波器贴片之间设置有一圈空隙，所述嵌套型开环滤波器用于接收由第三信号输入端口馈入的射频信号，所述射频PIN二极管开关和第三射频PIN二极管开关设置在第二微带线的空隙中，且射频PIN二极管开关和第三射频PIN二极管开关所处空隙宽1mm，所述第二射频PIN二极管开关设置在微带线的空隙中，且第二射频PIN二极管开关所处空隙宽0.5mm。
基于整体微波器件的安装结构，其具有加工简易、制作成本低廉的特点，具有较好的应用前景。
在一个优选的方案中，所述介质基板的底部设置有矩形金属接地板，所述矩形金属接地板的宽度与介质基板的宽度一致，所述介质基板的内层设置有带状线，所述带状线与微带线和第二微带线的走线一致，且带状线分别与微带线和第二微带线相连。
通过设置有带状线，通过在介质基板中间设置带状线，且带状线的走线与微带线和第二微带线一致并相连，微带线相较于带状线具有传播速度快的特性，但其不如带状线的稳定和使用寿命，当微带线损坏时，可通过带状线建立的线路进行信号的传递，虽传递速度减慢，但依旧可保证信号的正常传递，避免了微波器件突然损坏造成影响与损失。
由上可知，一种双频微波滤波器高增益天线集成式微波器件，包括介质基板，所述介质基板的表面设置有一个单极子天线模块和两个双频滤波模块，所述单极子天线模块包括天线辐射机构，所述介质基板的表面设置有微带线和第二微带线，所述天线辐射机构的一端通过微带线连接有第一信号输入端口，所述第一信号输入端口设置在介质基板的表面，所述天线辐射机构的一端通过微带线连接有第二射频PIN二极管开关，所述第二射频PIN二极管开关设置在天线辐射机构和第一信号输入端口之间，两个所述双频滤波模块包括交叉型发卡滤波器，所述交叉型发卡滤波器的一端通过第二微带线连接有第二信号输入端口，所述第二信号输入端口设置在介质基板的表面，所述交叉型发卡滤波器的另一端通过第二微带线连接有射频PIN二极管开关，所述交叉型发卡滤波器通过射频PIN二极管开关与天线辐射机构相连，两个所述双频滤波模块还包括嵌套型开环滤波器，所述嵌套型开环滤波器的一端通过第二微带线连接有第三信号输入端口，所述第三信号输入端口设置在介质基板的表面，所述嵌套型开环滤波器的另一端通过第二微带线连接有第三射频PIN二极管开关，所述嵌套型开环滤波器通过第三射频PIN二极管开关与天线辐射机构连接。本发明提供的双频微波滤波器高增益天线集成式微波器件具有实现了频率可重构滤波天线由超宽带到窄带的自由切换，频率选择性好的技术效果。
附图说明
图1为本发明提出的一种双频微波滤波器高增益天线集成式微波器件的整体结构示意图。
图2为本发明提出的一种双频微波滤波器高增益天线集成式微波器件的交叉型发卡滤波器结构示意图。
图3为本发明提出的一种双频微波滤波器高增益天线集成式微波器件的嵌套型开环滤波器结构示意图。
图4为本发明提出的一种双频微波滤波器高增益天线集成式微波器件的天线辐射机构结构示意图。
图5为本发明提出的一种双频微波滤波器高增益天线集成式微波器件的截面图。
图6为本发明提出的一种双频微波滤波器高增益天线集成式微波器件在超宽带通信状态的反射系数S11随频率变化的特性曲线。
图7为本发明提出的一种双频微波滤波器高增益天线集成式微波器件在超宽带通信状态的增益关于频率的特性曲线。
图8为本发明提出的一种双频微波滤波器高增益天线集成式微波器件在3.5GHz时E面和H面的辐射方向图。
图9为本发明提出的一种双频微波滤波器高增益天线集成式微波器件在5.2GHz时E面和H面的辐射方向图。
图10为本发明提出的一种双频微波滤波器高增益天线集成式微波器件在8.5GHz时E面和H面的辐射方向图。
图11为本发明提出的一种双频微波滤波器高增益天线集成式微波器件在2.4GWLAN窄带通信状态的反射系数S11随频率变化的特性曲线。
图12为本发明提出的一种双频微波滤波器高增益天线集成式微波器件在2.4GWLAN窄带通信状态的反射系数S11随频率变化的特性曲线。
图13为本发明提出的一种双频微波滤波器高增益天线集成式微波器件在窄带通信状态下2.4GHz的辐射方向图。
图14为本发明提出的一种双频微波滤波器高增益天线集成式微波器件在5.2GWLAN窄带通信状态的反射系数S11随频率变化的特性曲线。
图15为本发明提出的一种双频微波滤波器高增益天线集成式微波器件在5.2GWLAN窄带通信状态的增益随频率变化的特性曲线。
图16为本发明提出的一种双频微波滤波器高增益天线集成式微波器件在窄带通信状态下5.2GHz的辐射方向图。
图中：1、天线辐射机构；2、介质基板；3、第二信号输入端口；4、交叉型发卡滤波器；5、射频PIN二极管开关；6、第一信号输入端口；7、第二射频PIN二极管开关；8、第三射频PIN二极管开关；9、嵌套型开环滤波器；10、第三信号输入端口；11、U型贴片；12、第二U型贴片；13、第三U型贴片；14、外开环滤波器贴片；15、内开环滤波器贴片；16、辐射贴片；17、四分之一波长变换器；18、微带线；19、矩形金属接地板；20、带状线；21、第二微带线。
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。
本发明公开的一种双频微波滤波器高增益天线集成式微波器件主要应用于天线通信的场景。
参照图1-图16，一种双频微波滤波器高增益天线集成式微波器件，包括介质基板2，介质基板2的表面设置有一个单极子天线模块和两个双频滤波模块，单极子天线模块包括天线辐射机构1，介质基板2的表面设置有微带线18和第二微带线21，天线辐射机构1的一端通过微带线18连接有第一信号输入端口6，第一信号输入端口6设置在介质基板2的表面，天线辐射机构1的一端通过微带线18连接有第二射频PIN二极管开关7，第二射频PIN二极管开关7设置在天线辐射机构1和第一信号输入端口6之间，两个双频滤波模块包括交叉型发卡滤波器4，交叉型发卡滤波器4的一端通过第二微带线21连接有第二信号输入端口3，第二信号输入端口3设置在介质基板2的表面，交叉型发卡滤波器4的另一端通过第二微带线21连接有射频PIN二极管开关5，交叉型发卡滤波器4通过射频PIN二极管开关5与天线辐射机构1相连，两个双频滤波模块还包括嵌套型开环滤波器9，嵌套型开环滤波器9的一端通过第二微带线21连接有第三信号输入端口10，第三信号输入端口10设置在介质基板2的表面，嵌套型开环滤波器9的另一端通过第二微带线21连接有第三射频PIN二极管开关8，嵌套型开环滤波器9通过第三射频PIN二极管开关8与天线辐射机构1连接，介质基板厚度为1.6mm，材料为FR-4，相对介电常数为4.4，介电损耗常数为0.02。
参照图4，在一个优选的实施方式中，天线辐射机构1包括辐射贴片16，辐射贴片16的一端连接有四分之一波长变换器17，四分之一波长变换器17的一端与微带线18相连。
参照图4，在一个优选的实施方式中，辐射贴片16的结构是采用在矩形贴片的两侧底端减去两个正方形边角，矩形贴片的尺寸为25.8mm*20mm，减去的正方形边角为两个边长为3.5mm的正方形，微带线18为50欧姆微带线，用于接收由第一信号输入端口6馈入的射频信号。
参照图2，在一个优选的实施方式中，交叉型发卡滤波器4包括U型贴片11、第二U型贴片12和第三U型贴片13，U型贴片11和第三U型贴片13的规格一致，第二U型贴片12交叉入U型贴片11和第三U型贴片13的空隙插槽中，并接收由第二信号输入端口3馈入的射频信号。
参照图3，在一个优选的实施方式中，嵌套型开环滤波器9包括外开环滤波器贴片14和内开环滤波器贴片15，内开环滤波器贴片15嵌在外开环滤波器贴片14的内部。
参照图3，在一个优选的实施方式中，内开环滤波器贴片15和外开环滤波器贴片14的本体为开口的矩形环，且内开环滤波器贴片15和外开环滤波器贴片14之间设置有一圈空隙，嵌套型开环滤波器9用于接收由第三信号输入端口10馈入的射频信号。
参照图1，在一个优选的实施方式中，射频PIN二极管开关5和第三射频PIN二极管开关8设置在第二微带线21的空隙中，且射频PIN二极管开关5和第三射频PIN二极管开关8所处空隙宽1mm，第二射频PIN二极管开关7设置在微带线18的空隙中，且第二射频PIN二极管开关7所处空隙宽0.5mm。
参照图5，在一个优选的实施方式中，介质基板2的底部设置有矩形金属接地板19，矩形金属接地板19的宽度与介质基板2的宽度一致，介质基板2的内层设置有带状线20，带状线20与微带线18和第二微带线21的走线一致，且带状线20分别与微带线18和第二微带线21相连。
工作原理：使用时，介质基板2上表面的滤波结构包括交叉型发卡滤波器4和嵌套型开环滤波器9，发挥带通滤波器的作用，前者由U型贴片11、第二U型贴片12、第三U型贴片13三个U型结构谐振器构成，第二U型贴片12与U型贴片11、第三U型贴片13相互交叉并与左端的第二微带线21相连，可以滤除杂波，配合天线辐射机构1实现2.4G WLAN窄带通信，后者由外开环滤波器贴片14和内开环滤波器贴片15两个矩形开口环谐振器嵌套而成，两个开口环谐振器之间有一定的空隙并与右端的第二微带线21相连，滤除杂波，与天线辐射机构1连接时实现5.2G WLAN窄带通信，通过控制对射频PIN二极管开关5、第二射频PIN二极管开关7、第三射频PIN二极管开关8的通断，可以自由地根据实际需要，在超宽带、2.4G窄带、5.2G窄带三种状态之间进行切换，具有较好的频率选择性和带外抑制性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双频微波滤波器高增益天线集成式微波器件，包括介质基板(2)，其特征在于，所述介质基板(2)的表面设置有一个单极子天线模块和两个双频滤波模块，所述单极子天线模块包括天线辐射机构(1)，所述介质基板(2)的表面设置有微带线(18)和第二微带线(21)，所述天线辐射机构(1)的一端通过微带线(18)连接有第一信号输入端口(6)，所述第一信号输入端口(6)设置在介质基板(2)的表面，所述天线辐射机构(1)的一端通过微带线(18)连接有第二射频PIN二极管开关(7)，所述第二射频PIN二极管开关(7)设置在天线辐射机构(1)和第一信号输入端口(6)之间，两个所述双频滤波模块包括交叉型发卡滤波器(4)，所述交叉型发卡滤波器(4)的一端通过第二微带线(21)连接有第二信号输入端口(3)，所述第二信号输入端口(3)设置在介质基板(2)的表面，所述交叉型发卡滤波器(4)的另一端通过第二微带线(21)连接有射频PIN二极管开关(5)，所述交叉型发卡滤波器(4)通过射频PIN二极管开关(5)与天线辐射机构(1)相连，两个所述双频滤波模块还包括嵌套型开环滤波器(9)，所述嵌套型开环滤波器(9)的一端通过第二微带线(21)连接有第三信号输入端口(10)，所述第三信号输入端口(10)设置在介质基板(2)的表面，所述嵌套型开环滤波器(9)的另一端通过第二微带线(21)连接有第三射频PIN二极管开关(8)，所述嵌套型开环滤波器(9)通过第三射频PIN二极管开关(8)与天线辐射机构(1)连接。
2.根据权利要求1所述的一种双频微波滤波器高增益天线集成式微波器件，其特征在于，所述天线辐射机构(1)包括辐射贴片(16)，所述辐射贴片(16)的一端连接有四分之一波长变换器(17)，所述四分之一波长变换器(17)的一端与微带线(18)相连。
3.根据权利要求2所述的一种双频微波滤波器高增益天线集成式微波器件，其特征在于，所述辐射贴片(16)的结构是采用在矩形贴片的两侧底端减去两个正方形边角，所述微带线(18)为50欧姆微带线，用于接收由第一信号输入端口(6)馈入的射频信号。
4.根据权利要求1所述的一种双频微波滤波器高增益天线集成式微波器件，其特征在于，所述交叉型发卡滤波器(4)包括U型贴片(11)、第二U型贴片(12)和第三U型贴片(13)，所述U型贴片(11)和第三U型贴片(13)的规格一致，所述第二U型贴片(12)交叉入U型贴片(11)和第三U型贴片(13)的空隙插槽中，并接收由第二信号输入端口(3)馈入的射频信号。
5.根据权利要求1所述的一种双频微波滤波器高增益天线集成式微波器件，其特征在于，所述嵌套型开环滤波器(9)包括外开环滤波器贴片(14)和内开环滤波器贴片(15)，所述内开环滤波器贴片(15)嵌在外开环滤波器贴片(14)的内部。
6.根据权利要求5所述的一种双频微波滤波器高增益天线集成式微波器件，其特征在于，所述内开环滤波器贴片(15)和外开环滤波器贴片(14)的本体为开口的矩形环，且内开环滤波器贴片(15)和外开环滤波器贴片(14)之间设置有一圈空隙，所述嵌套型开环滤波器(9)用于接收由第三信号输入端口(10)馈入的射频信号。
7.根据权利要求1所述的一种双频微波滤波器高增益天线集成式微波器件，其特征在于，所述射频PIN二极管开关(5)和第三射频PIN二极管开关(8)设置在第二微带线(21)的空隙中，且射频PIN二极管开关(5)和第三射频PIN二极管开关(8)所处空隙宽1mm，所述第二射频PIN二极管开关(7)设置在微带线(18)的空隙中，且第二射频PIN二极管开关(7)所处空隙宽0.5mm。
8.根据权利要求1所述的一种双频微波滤波器高增益天线集成式微波器件，其特征在于，所述介质基板(2)的底部设置有矩形金属接地板(19)，所述矩形金属接地板(19)的宽度与介质基板(2)的宽度一致，所述介质基板(2)的内层设置有带状线(20)，所述带状线(20)与微带线(18)和第二微带线(21)的走线一致，且带状线(20)分别与微带线(18)和第二微带线(21)相连。
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