CN115473042B - 一种宽带5g圆极化滤波天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽带5G圆极化滤波天线，包括反射板，第一介质基板，第二介质基板，第三介质基板，第四介质基板，印刷在第一介质基板一面带有相位调节功能的馈电线，第一介质基板上的另一面为带有类椅子槽的金属地，第一矩形辐射单元，第二矩形辐射单元，第一金属传输带组，第二金属传输带组。该天线通过第一介质基板上的另一面为带有类椅子槽的金属地，调节天线的类椅子槽实现宽带圆极化天线设计，通过金属传输带实现滤波性能。

Description

一种宽带5G圆极化滤波天线
技术领域
本发明涉及天线设计技术领域，特别涉及一种宽带5G圆极化滤波天线。
背景技术
随着无限通信技术的发展，走在无限通信发展前沿的移动通信技术从3G迅速过度到5G。5G中重要的突破就是天线技术的飞速发展，也迎来了天线的飞速发展。但是传统的5G天线设计，大多采用线极化天线，主要有垂直极化和水平极化也有双极化天线。但是这些线极化天线在收发信号的时候，会造成空间电磁波的旋转，从而降低天线的性能。
然而，圆极化天线不仅能有效的克服空间电磁波旋转带来的困扰，而且还能抵抗空间的干扰，得益于圆极化天线可以防止发送和接收信号时产生的法拉第旋转效应造成的多径失真和极化失配损失。圆极化天线可以降低极化失配，抑制多径干扰，并在发送端和接收端具有更大的灵活性。为了实现圆极化辐射，一个简单方法是在两个正交方向馈入贴片，采用双端馈电的方式，产生两个正交谐振模式，实现圆极化天线的设计。此外，还有采用切角结构的方式实现圆极化天线的设计，但是天线的带宽比较窄。在无线通信系统的后端，往往采用滤波器滤除由于天线接收的不必要的带外信号，成本高，且系统的复杂度也随之增加。
发明内容
为解决上述现有技术中所存在问题中在需要滤除带外信号中，成本高且复杂度高的问题，本发明提供一种宽带5G圆极化滤波天线，能够利用圆极化天线的性能，且可以滤除带外信号，不仅可以为5G提供服务，还可以滤除5G频带外不需要的信号，减少滤波器的使用或者降低滤波器的设计要求，为移动通信降低成本，提高天线的性能。
为了实现上述技术目的，本发明提供了如下技术方案：
一种宽带5G圆极化滤波天线，包括：
反射板、第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板及第四基质基板；所述反射板、第一介质基板、第二介质基板自下而上设置且中间由空气填充，所述第三介质基板及第四介质基板安装于第一介质基板及第二介质基板之间且所述第三介质基板及第四介质基板平行设置，所述第一介质基板上表面设置有带有类椅子槽的金属地，所述第一介质基板下表面设置有馈电线，所述馈电线与所述第三介质基板垂直设置，所述带有类椅子槽的金属地上的类椅子槽与第三介质基板及第四介质基板对应设置；
所述第三介质基板上设置有所述第一金属传输带组、所述第四介质基板上设置有第二金属传输带组，所述第一金属传输带组与所述第二金属传输带组对称设置，所述第一金属传输带组、所述第二金属传输带组与所述带有类椅子槽的金属地接触且与所述带有类椅子槽的金属地上的类椅子槽对应设置。
可选的，所述带有类椅子槽的金属地上的类椅子槽包括第一槽、第二槽及第三槽，其中第三槽及第二槽连通第一槽，所述第二槽及第三槽与第一槽构成的角度相等；所述第一槽设置于第一金属传输带组及第二金属传输带组之间且平行于第一金属传输带组及第二金属传输带组。
可选的，所述馈电线包括第一相位调节器、第二相位调节器、第一阻抗变换器、第二阻抗变换器及第三阻抗变换器，其中所述第一相位调节器、所述第二相位调节器与所述第三阻抗变换器连接；所述第二阻抗变换器、所述第三阻抗变换器通过第一阻抗变换器连接；所述第一阻抗变换器与所述第二阻抗变换器连接处上方对应类椅子槽。
可选的，所述第一金属传输带组包括第一金属传输带、第二金属传输带及第三金属传输带，其中所述第一金属传输带、第二金属传输带及第三金属传输带等间距设置于所述第三介质基板远离第四介质基板一侧。
可选的，所述第二金属传输带组包括第四金属传输带、第五金属传输带及第六金属传输带，其中所述第四金属传输带、第五金属传输带及第六金属传输带等间距设置于所述第四介质基板靠近第三介质基板一侧。
可选的，所述第二介质基板的上表面设置有第一矩形辐射单元及第二矩形辐射单元，其中所述第一矩形辐射单元与所述第一金属传输带组连接；所述第二矩形辐射单元与所述第二金属传输带组连接，所述第一矩形辐射单元及第二矩形辐射单元对称设置以构成偶极子对。
可选的，所述反射板采用铜板。
可选的，通过控制调整所述馈电线及所述带有类椅子槽的金属地上的类椅子槽的形状以实现控制天线的相位。
本发明具有如下技术效果：
本发明提出的一种宽带5G圆极化滤波天线，采用多层天线结构，通过在第一介质基板上的一面设计带有相位调节功能的馈电线和带有类椅子槽的金属地上的类椅子槽的尺寸，实现相位的调整，调整圆极化天线的带宽和轴比带宽，第三介质基板和第四介质基板上的金属传输带构成滤波结构实现，提供矩形滤波系数，实现很好的滤波功能，降低天线的干扰。天线的相位差可控，便于调整圆极化的带宽，金属传输带不仅可以实现滤波功能，且和辐射单元连接，提供高增益。本发明设计的5G圆极化天线具有圆极化特性、大带宽、滤波特性、轴比带宽宽、3-dB波束宽，结构紧凑，可以应用在移动通信，为5G提供服务，还可以应用在卫星通信等移动通信系统，具有很好的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的宽带5G圆极化滤波天线的三维结构图；
图2为本发明实施例提供的宽带5G圆极化滤波天线的俯视图；
图3为本发明实施例提供的宽带5G圆极化滤波天线的侧视图；
图4为本发明实施例提供的宽带5G圆极化滤波天线的正视图；
图5为本发明实施例提供的带有相位调节功能的馈电线示意图；
图6为本发明实施例提供的带有类椅子槽的金属地示意图；
图7为本发明实施例提供的阻抗特性和滤波特性示意图；
图8为本发明实施例提供的辐射方向图示意图。
其中，1、馈电线；2、第一相位调节器；3、第二相位调节器；4、第一阻抗变换器；5、第二阻抗变换器；6、第三阻抗变换器；7、类椅子槽；8、带有类椅子槽的金属地；9、反射板；10、第一介质基板；11、第二介质基板；12、第三介质基板；13、第一金属传输带；14、第二金属传输带；15、第三金属传输带；16、第一矩形辐射单元；17、第二矩形辐射单元；19、第四介质基板；20、第二金属传输带组；21、第一金属传输带组；23、第四金属传输带；24、第五金属传输带；25、第六金属传输带。
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。
为了解决在现有技术中存在的问题，本发明提供了如下方案：
反射板9、第一介质基板10、第二介质基板11、第三介质基板12及第四基质基板19；反射板9、第一介质基板10、第二介质基板11自下而上设置且中间由空气填充，第三介质基板12及第四介质基板19安装于第一介质基板10及第二介质基板11之间且第三介质基板12及第四介质基板19平行设置，第一介质基板10上表面设置有带有类椅子槽的金属地8，第一介质基板10下表面设置有馈电线1，馈电线1与第三介质基板12垂直设置，带有类椅子槽的金属地8上的类椅子槽7与第三介质基板12及第四介质基板19对应设置，其中类椅子槽7的第一槽在第三介质基板12及第四介质基板19中间且与第三介质基板12及第四介质基板19平行。
第三介质基板12上设置有第一金属传输带组21、第四介质基板19上设置有第二金属传输带组20，第一金属传输带组21与第二金属传输带组20对称设置，第一金属传输带组21与第二金属传输带组20结构相同，第一金属传输带组21、第二金属传输带组20与带有类椅子槽的金属地8接触且与带有类椅子槽的金属地8上的类椅子槽7对应设置，其中类椅子槽7的第一槽平行的长度大于第一金属传输带组21、第二金属传输带组20。
带有类椅子槽的金属地8上的类椅子槽7包括第一槽、第二槽及第三槽，其中第三槽及第二槽连通第一槽，类椅子槽7为三段直槽构成的类椅子形状的凹槽，如图6所示，在图6中，以转角位置为分割基础，自左到右将三段直槽定义为第二槽、第一槽及第三槽；第二槽及第三槽与第一槽构成的角度相等；第一槽设置于第一金属传输带组21及第二金属传输带组20之间且平行于第一金属传输带组21及第二金属传输带组20，第一金属传输带组21及第二金属传输带组20在第一槽的长度范围之内。
馈电线1包括第一相位调节器2、第二相位调节器3、第一阻抗变换器4、第二阻抗变换器5及第三阻抗变换器6，其中第一相位调节器2、第二相位调节器3与第三阻抗变换器6连接；第二阻抗变换器5、第三阻抗变换器6通过第一阻抗变换器4连接；第一阻抗变换器4与第二阻抗变换器5连接处上方对应类椅子槽7，类椅子槽7横穿第一阻抗变换器4与第二阻抗变换器5连接处上方。
第一金属传输带组21包括第一金属传输带13、第二金属传输带14及第三金属传输带15，其中第一金属传输带13、第二金属传输带14及第三金属传输带15等间距设置于第三介质基板12远离第四介质基板19一侧。
第二金属传输带组20包括第四金属传输带23、第五金属传输带24及第六金属传输带25，其中第四金属传输带、第五金属传输带及第六金属传输带等间距设置于第四介质基板19靠近第三介质基板12一侧。
第二介质基板11的上表面设置有第一矩形辐射单元16及第二矩形辐射单元17，其中第一矩形辐射单元16与第一金属传输带组21连接；第二矩形辐射单元17与第二金属传输带组20连接，第一矩形辐射单元16及第二矩形辐射单元17对称设置以构成偶极子对。
反射板9采用铜板。通过控制调整馈电线1及带有类椅子槽的金属地8上的类椅子槽7的形状以实现控制天线的相位。
结合附图对上述内容进行具体说明：
如图1、2、3和4所示，本发明提供一种宽带5G圆极化滤波天线，包括反射板9，反射板采用铜板，第一介质基板10，第二介质基板11，第三介质基板12，第四介质基板19，印刷在第一介质基板10一面带有相位调节功能的馈电线1，第一介质基板10上的另一面为带有类椅子槽的金属地8，第一矩形辐射单元16，第二矩形辐射单元17，第一金属传输带13，第二金属传输带14，第三金属传输带15，第四金属传输带23，第五金属传输带24，第六金属传输带25。该天线通过第一介质基板10上的另一面为带有类椅子槽的金属地8，调节天线的类椅子槽7实现宽带圆极化天线设计，通过六条金属传输带实现滤波性能。
天线的圆极化特性可以通过调整第一介质基板10上的另一面为带有类椅子槽的金属地8上的类椅子槽7的尺寸和第一介质基板10一面带有相位调节功能的馈电线1上相位调节功能的结构，调节天线实现宽带和相差，以实现宽带圆极化天线的设计。且天线的带有相位调节功能的馈电线1上相位调节功能、阻抗变换器和带有类椅子槽的金属地8上的类椅子槽7可以提高天线的带宽，以实现宽带圆极化天线设计。
天线的滤波特性由分别印刷在第三介质基板12和第四介质基板19上的六条金属传输带构成滤波结构实现，滤波功能，且第三介质基板12和第四介质基板19上分别有三条金属传输带。
第一金属传输带组21及第二金属传输带组20的一端和带有类椅子槽的金属地8连接，另一端分别和第一矩形辐射单元16、第二矩形辐射单元17连接，第一矩形辐射单元16和第二矩形辐射单元17为印刷在第二介质基板11上构成一对偶极子对，实现波束对称设计，且需要覆盖对应的金属带，其形状可以根据实际需求进行设计为矩形、圆形或者其它形状，提供很好的全向辐射特性。
铜板的作用为天线提供反射器的作用，实现定向辐射，提高天线的前后比。
图5提供了带有相位调节功能的馈电线1，采用微带天线馈电的形式，且在传输线上集成了阶状阻抗变换、第一相位调节器2和第二相位调节器3、阻抗调整枝节，由此可以调整天线的相位。
图6提供了一种宽带5G滤波圆极化天线带有类椅子的刻槽金属地8，在金属地上刻蚀类椅子形槽7，不仅可以扩展天线的阻抗带宽，还可以通过调整类椅子形槽7的不同部分，改变天线的相位，和带有相位调节功能的馈电线1一起控制天线的相位，实现圆极化天线的设计。此外，类椅子形槽7还可以拓展天线的带宽。
图7提供了一种宽带5G圆极化滤波天线的阻抗特性和滤波特性，从图中可以看出所设计的圆极化天线可以覆盖4GHz-6.6GHz，且在过渡带具有很好的矩形系数，抑制带外信号的干扰。
图8提供了一种宽带5G圆极化滤波天线的辐射特性，可以看出所提供的天线具有很好的定向辐射特性。
本发明设计的一种宽带5G圆极化滤波天线可以工作在5G频段、C波段、WLAN和WiFi频段，具有很好的宽带特性、圆极化特性，良好的轴比、较宽的波束带宽，可以应用在移动通信终端，具有很好的应用前景。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种宽带5G圆极化滤波天线，其特征在于，包括：
反射板、第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板及第四介质基板；所述反射板、第一介质基板、第二介质基板自下而上设置且中间由空气填充，所述第三介质基板及第四介质基板安装于第一介质基板及第二介质基板之间且所述第三介质基板及第四介质基板平行设置，所述第一介质基板上表面设置有带有类椅子槽的金属地，所述第一介质基板下表面设置有馈电线，所述馈电线与所述第三介质基板垂直设置，所述带有类椅子槽的金属地上的类椅子槽与第三介质基板及第四介质基板对应设置；
所述第三介质基板上设置有第一金属传输带组、所述第四介质基板上设置有第二金属传输带组，所述第一金属传输带组与所述第二金属传输带组对称设置，所述第一金属传输带组、所述第二金属传输带组与所述带有类椅子槽的金属地接触且与所述带有类椅子槽的金属地上的类椅子槽对应设置；
所述第一金属传输带组包括等间距设置的第一金属传输带、第二金属传输带及第三金属传输带；
所述第二金属传输带组包括等间距设置的第四金属传输带、第五金属传输带及第六金属传输带；
所述第二介质基板的上表面设置有第一矩形辐射单元及第二矩形辐射单元，其中所述第一矩形辐射单元与所述第一金属传输带组连接；所述第二矩形辐射单元与所述第二金属传输带组连接，所述第一矩形辐射单元及第二矩形辐射单元对称设置以构成偶极子对。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：
所述带有类椅子槽的金属地上的类椅子槽包括第一槽、第二槽及第三槽，其中第三槽及第二槽连通第一槽，所述第二槽及第三槽与第一槽构成的角度相等；所述第一槽设置于第一金属传输带组及第二金属传输带组之间且平行于第一金属传输带组及第二金属传输带组。
3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：
所述馈电线包括第一相位调节器、第二相位调节器、第一阻抗变换器、第二阻抗变换器及第三阻抗变换器，其中所述第一相位调节器、所述第二相位调节器与所述第三阻抗变换器连接；所述第二阻抗变换器、所述第三阻抗变换器通过第一阻抗变换器连接；所述第一阻抗变换器与所述第二阻抗变换器连接处上方对应类椅子槽。
4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：
所述第一金属传输带组包括第一金属传输带、第二金属传输带及第三金属传输带，其中所述第一金属传输带、第二金属传输带及第三金属传输带等间距设置于所述第三介质基板远离第四介质基板一侧。
5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：
所述第二金属传输带组包括第四金属传输带、第五金属传输带及第六金属传输带，其中所述第四金属传输带、第五金属传输带及第六金属传输带等间距设置于所述第四介质基板靠近第三介质基板一侧。
6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：
所述反射板采用铜板。
7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：
通过控制调整所述馈电线及所述带有类椅子槽的金属地上的类椅子槽的形状以实现控制天线的相位。
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