CN116325359A - 具有阻抗匹配带通滤波器的微带天线 - Google Patents

Abstract

一种用于在工作频率范围内工作的微带天线。所述微带天线包括印刷在衬底上的紧凑区域内的天线结构。所述微带天线还包括印刷在所述衬底上的所述紧凑区域内的反馈结构，其中所述反馈结构配置为用作具有定义所述工作频率范围的通带的阻抗匹配带通滤波器。由于集成带通滤波器，所述微带天线提供了高效率、低损耗和紧凑尺寸，适用于超宽带无线网络。

Description

具有阻抗匹配带通滤波器的微带天线

技术领域

本公开大体上涉及天线系统和无线通信技术领域，更具体地，涉及一种用于超宽带无线网络中的具有阻抗匹配带通滤波器的微带天线。

背景技术

随着自动驾驶车辆(如自动驾驶汽车)或半自动车辆等互联车辆的发展，对复杂互连和机器对机器网络的需求正在稳步上升。此外，还存在将用户设备(如智能手机)与客户汽车的娱乐和安全系统集成的趋势。因此，通过无线网络进行更高的数据传输的需求越来越大，这反过来又要求车辆(例如，自动驾驶和客户车辆)中天线的空间密集集成。然而，可用空间的限制和天线(例如集成天线)数量的增加，以及天线之间的电磁耦合，为有效利用可用空间带来了挑战。例如，在频带中工作的天线通过吸收来自相邻频带的频率(由于空间有限和电磁耦合)对在相邻频带中工作的相邻天线产生干扰，因此导致相邻天线的效率降低。

目前，通过在天线之间使用传统的分布式滤波器或传统的集总滤波器等，已经进行了某些尝试来解耦天线(即集成天线)。不管是传统的分布式滤波器还是集总滤波器中都有自己的特征和局限性。传统的分布式滤波器使用波(例如工作波)的电磁属性，以便在一定带宽内产生电感或电容效应。这就是传统的分布式滤波器在尺寸上与工作波(或波长)相当的原因。传统的分布式滤波器表现出一些低损耗(或低损耗特性)，但需要使用相对较大的面积。传统的分布式滤波器，例如，传统的分布式带通滤波器可以具有5千兆赫(gigahertz，GHz)的中心频率和大致14mm×14mm的尺寸。因此，包括传统的分布式滤波器的无线网络，称为分布式带通匹配网络，表现出一些低损耗(例如插入损耗和回波损耗)，但带宽有限且要使用的尺寸较大。因此，传统的分布式滤波器的低损耗优势是以大尺寸为代价的。解耦天线(即集成天线)的另一种方法是使用传统的集总滤波器。传统的集总滤波器使用电感或电容组件，其中每个组件的尺寸远小于工作波长。通常，通过使用典型的表面安装设备(surface mount device，SMD)滤波器，以紧凑的形式采用传统的集总滤波器。表面安装设备(surface mount device，SMD)是电子组件，也称为集成无源设备(integratedpassive device，IPD)或集成无源组件(integrated passive component，IPC)或嵌入式无源组件(embedded passive component，EPC)，其中电阻器(R)、电容器(C)、电感器(L)或线圈或扼流圈、微带线、阻抗匹配元件、巴伦(即平衡-不平衡转换器)或所述组件的任何组合集成在同一封装上或同一衬底上。因此，传统的集总表面安装设备(surface mountdevice，SMD)滤波器可以在相对较小的结构上实现，因此可非常紧凑。然而，与用于大规模生产的传统的分布式滤波器相比，传统的集总SMD滤波器价格昂贵(大致20美分至30美分)，在运行时还会有明显损失(例如1dB至2dB)。传统的集总SMD滤波器具有固定的频率范围，由于SMD元件的老化，传统的集总SMD滤波器的可靠性较差。此外，如果传统的集总SMD滤波器用作集成无源设备(integrated passive device，IPD)滤波器，则在滤波器设计中具有不灵活这一限制。由于在传统IPD滤波器的情况下，电感器(L)、电容器(C)、电阻器(R)等每个组件都集成在一个封装中，因此传统IPD滤波器的特性在生产之前和之后定义，滤波器设计不可能改变。因此，在要求低损耗和高效率的应用中，传统的集总SMD滤波器并非首选。换句话说，包括传统集总SMD滤波器的集总匹配网络是紧凑的，但给网络带来了显著的损耗(例如插入损耗和回波损耗)。因此，存在低效天线的技术问题，低效天线表现出效率降低、损耗(即插入损耗和回波损耗)明显，并且具有与工作波长相当的大尺寸，因此，传统天线不适用于宽带或超宽带无线网络。

因此，根据上述讨论，有必要克服与传统天线相关联的上述缺点。

发明内容

本公开寻求提供一种用于超宽带无线网络中的具有集成带通滤波器的微带天线。本公开寻求提供一种解决低效天线的现有问题的解决方案，低效天线表现出损耗(即插入损耗和回波损耗)明显，并且具有与工作波长相当的大尺寸，不适用于宽带或超宽带无线网络。本公开的目的是提供一种至少部分地克服现有技术中遇到的问题的解决方案，并提供一种改进的具有集成带通滤波器的天线，该天线效率提高、损耗低、尺寸紧凑，适用于超宽带无线网络。

本公开的目标是通过所附独立权利要求中提供的解决方案实现的。本公开的有利实现方式在从属权利要求中进一步定义。

在一个方面，本公开提供一种用于在工作频率范围内工作的微带天线，该微带天线包括印刷在衬底上的紧凑区域内的天线结构。微带天线还包括印刷在衬底上的紧凑区域内的反馈结构，其中该反馈结构配置为用作具有定义工作频率范围的通带的阻抗匹配带通滤波器。

本公开的微带天线创建具有带通特性的匹配网络。所公开的微带天线将带通滤波器集成到天线结构中。通过使用带通滤波器作为天线结构的一部分，有可能创建相当紧凑的设计。与传统的分布式滤波器相比，带通滤波器具有分布式滤波器的优点，同时具有相对较小的尺寸。这样，所公开的微带天线具有显著低的损耗和紧凑的设计。所公开的微带天线通过使用带通滤波器减少了集成天线之间的电磁耦合，从而减少了集成天线之间的电磁干扰。此外，与传统的集总SMD滤波器相比，所公开的微带天线显著降低了SMD元件老化的影响，并提高了可靠性。此外，所公开的微带天线不需要主印刷电路板(printed circuitboard，PCB)上的额外空间，与传统的集总SMD滤波器相比，对天线效率也没有负面影响。因此，由于集成带通滤波器，所公开的微带天线提供了高效率、低损耗和紧凑的尺寸，适合用于超宽带无线网络。

在一种实现方式中，反馈结构包括布置在天线结构的馈电点的两侧上的两条短截反馈线。

两条短截反馈线用于创建带通滤波器，并且所创建的带通滤波器解耦在相邻频带中工作的附近天线，因此减少了所公开的微带天线与附近天线之间的电磁干扰。带通滤波器是通过改变所公开的微带天线的尺寸和两条短截反馈线的尺寸来调谐所公开的微带天线的阻抗而产生的。

在另一种实现方式中，两条短截反馈线中的每一条靠近天线结构的馈电点而终止。

两条短截反馈线靠近天线结构的馈电点而终止，因此使微带天线具有更紧凑的设计。

在进一步的实现方式中，两条短截反馈线中的每一条沿着紧凑区域的边缘延伸。

两条短截反馈线中的每一条用作紧凑的带通和匹配滤波器，紧凑的带通和匹配滤波器集成到所公开的位于同一印刷电路板(printed circuit board，PCB)上的微带天线中。这使微带天线具有更紧凑的设计。

在进一步的实现方式中，紧凑区域大体上呈矩形或方形，高度和宽度各自在15mm至20mm的范围内。

由于天线结构和反馈结构均是在衬底上的紧凑区域内制造的，因此，这使微带天线的尺寸更紧凑，从而在工作时也表现出低损耗。

在进一步的实现方式中，天线结构包括单极天线。

两条短截反馈线创建了可与汽车应用的单极天线一起使用的带通滤波器。

在进一步的实现方式中，天线结构包括偶极天线。

在此情况下，反馈结构包括四条反馈线，因为偶极天线的每个单极元件需要两条反馈线来为自己创建带通滤波器。

在进一步的实现方式中，工作频率范围为约3.3GHz至约5.0GHz。

所公开的微带天线可以在微波频率下使用，特别是用于C波段应用，例如汽车应用。

需要说明的是，本申请中描述的所有设备、元件、电路、单元和方式可以在软件或硬件元件或其任何类型的组合中实现。本申请中描述的各种实体所执行的所有步骤以及所描述的各种实体要执行的功能均意在指相应实体用于执行相应步骤和功能。虽然在以下具体实施例的描述中，外部实体执行的具体功能或步骤没有在执行具体步骤或功能的实体的具体详述元件的描述中反映，但是技术人员应清楚，这些方法和功能可以通过相应的硬件或软件元件或其任何组合实现。可以理解的是，本公开的特征易于以各种组合进行组合，而不脱离由所附权利要求书所定义的本公开的范围。

本公开的其它方面、优点、特征和目的从附图和结合以下所附权利要求书解释的说明性实现方式的详细描述中变得显而易见。

附图说明

当结合附图阅读时，可以更好地理解以上发明内容以及说明性实施例的以下详细描述。为了说明本公开，本公开的示例性结构在附图中示出。但是，本公开不限于本文中公开的具体方法和工具。此外，本领域技术人员应理解，附图不是按比例绘制的。在可能的情况下，相同的元件用相同的数字表示。

现在参考下图仅作为示例来描述本公开的实施例，其中：

图1示出了根据本公开的实施例的微带天线；

图2示出了根据本公开的实施例的微带天线的带通特性；

图3A至3B示出了根据本公开的实施例的微带天线的史密斯图中从带阻到带通的转换；

图4A至4B示出了根据本公开的实施例的微带天线的振幅-频率从带阻到带通的转换；

图5A示出了根据本公开的实施例的微带天线的反馈短截线的频率响应；

图5B示出了根据本公开的实施例的微带天线的带通特性。

在附图中，带下划线的数字用于表示带下划线的数字所在的项目或与带下划线的数字相邻的项目。不带下划线的数字与由将不带下划线的数字与项目关联的线标识的项目有关。当一个数字不带下划线并具有相关联的箭头时，不带下划线的数字用于标识箭头指向的一般项目。

具体实施方式

以下详细描述说明了本公开的实施例以及可以实现这些实施例的方式。虽然已经公开了实施本公开的一些模式，但本领域技术人员应认识到，也可以存在用于实施或实践本公开的其它实施例。

图1示出了根据本公开的实施例的微带天线。参考图1，示出了微带天线100。微带天线100包括天线结构102、衬底104、第一短截反馈线106A、第二短截反馈线106B、馈电点108和电接地110。馈电点108和电接地110由虚线部分表示，虚线部分仅用于说明目的，不形成电路的一部分。

微带天线100用于在工作频率范围(例如3.3GHz至5GHz)中工作。微带天线100用于C波段应用(即3.3GHz至5GHz)，例如汽车应用。微带天线100也可以称为辐射设备。这种微带天线的阵列或一个或多个微带天线可以用于无线通信系统。这种无线通信系统的示例包括但不限于有源基站天线系统、汽车天线系统(automotive antenna system，AAS)、基站(例如演进NodeB(eNB)、下一代NodeB(gNB)等)、中继器设备、用户端设备，以及其它定制的通信硬件。

微带天线100包括印刷在衬底104上的紧凑区域内的天线结构102。微带天线100还包括印刷在衬底104上的紧凑区域内的反馈结构，其中该反馈结构配置为用作具有定义工作频率范围的通带的阻抗匹配带通滤波器。微带天线100包括衬底104上的天线结构102和反馈结构，因此能够实现更紧凑的设计。反馈结构充当带通滤波器，因此，微带天线100降低了对在相邻频带上工作的附近天线的影响，从而提供了高效率。天线结构102和反馈结构由金属(或多种金属)组成，例如铜金属。图2等图详细描述了微带天线100的带通特性。

根据实施例，反馈结构包括布置在天线结构102的馈电点108的两侧上的两条短截反馈线。反馈结构通过使用表示为第一短截反馈线106A和第二短截反馈线106B的两条短截反馈线来实现。第一短截反馈线106A用作滤波器1，布置在天线结构102的右侧上。第二短截反馈线106B用作滤波器2，布置在天线结构102的左侧上。两条短截反馈线(即第一短截反馈线106A和第二短截反馈线106B)用于通过改变天线结构102的尺寸来调谐天线结构102的阻抗，并创建带通滤波器。因此，微带天线100分别凭借天线结构102和反馈结构来包括天线(特别是C波段天线)属性和带通滤波器属性。这两条短截反馈线也可以称为准短截反馈线。图5A等图详细描述了两条短截反馈线(即第一短截反馈线106A和第二短截反馈线106B)的带通特性。

根据实施例，两条短截反馈线中的每一条靠近天线结构102的馈电点108而终止。两条短截反馈线(即第一短截反馈线106A和第二短截反馈线106B)靠近天线结构102的馈电点108而终止，以便在天线结构102与两条短截反馈线之间创建准传输线。此外，此特征使微带天线100具有更紧凑的设计。

根据实施例，两条短截反馈线中的每一条沿着紧凑区域的边缘延伸。两条短截反馈线(即第一短截反馈线106A和第二短截反馈线106B)沿着衬底104上的紧凑区域的边缘放置，并使天线结构102和反馈结构能够在单个印刷电路板(printed circuit board，PCB)上制造而不需要更大的空间。

根据实施例，紧凑区域大体上呈矩形或方形，高度和宽度各自在15mm至20mm的范围内。在一些实现方式中，紧凑区域大体上呈矩形或方形，高度和宽度各自分别为15mm、16mm、17mm、18mm、19mm或者甚至为16mm、17mm、18mm、19mm或20mm。在本实施例中，微带天线100的衬底104的紧凑区域的宽度和高度分别为17mm×17mm。本领域普通技术人员应理解，在不限制本公开的范围情况下，紧凑区域的形状可以呈多边形或圆形，只要紧凑区域是紧凑的。

根据实施例，天线结构102包括单极天线。根据本申请，天线结构102可以用作单极天线。在本实施例中，天线结构102用作单极天线。因此，微带天线100包括单极天线(通过使用天线结构102)和带通滤波器(通过使用两条短截反馈线，即第一短截反馈线106A和第二短截反馈线106B)。

根据实施例，天线结构102包括偶极天线。天线结构102可以根据需要用作偶极天线。

根据实施例，工作频率范围为约3.3GHz至约5.0GHz。微带天线100设计成例如在汽车应用的C波段(即3.3GHz至5GHz)中工作。然而，本领域普通技术人员应理解，使用本公开中公开的类似技术和结构，微带天线100可以设计成在3.3GHz至4.2GHz、3.3GHz至3.8GHz、4.4GHz至5GHz等用于第五代(fifth generation，5G)移动通信的中频中工作。

因此，微带天线100包括单极天线(通过使用天线结构102)和带通滤波器(通过使用两条短截反馈线，即第一短截反馈线106A和第二短截反馈线106B)。微带天线100将带通滤波器集成到天线结构102中。通过使用带通滤波器作为天线结构102的一部分，有可能创建相当紧凑的设计。与传统的分布式滤波器相比，带通滤波器具有分布式滤波器的优点，同时具有相对较小的尺寸。这样，微带天线100具有显著低的损耗和紧凑的设计。此外，与传统的集总SMD滤波器相比，微带天线100显著降低了SMD元件老化的影响，并提高了可靠性。此外，微带天线100不需要主印刷电路板(printed circuit board，PCB)上的额外空间，与传统的集总SMD滤波器相比，对天线效率也没有负面影响。因此，由于集成带通滤波器，微带天线100提供了高效率、低损耗和紧凑的尺寸，适合用于超宽带无线网络中。微带天线100也用于C波段(即3.3GHz至5GHz)频率的汽车天线系统(automotive antenna system，AAS)。

图2是示出根据本公开的实施例的微带天线的带通特性的图形表示。图2结合图1中的元件进行描述。参考图2，示出了图形表示200，该图形表示示出了例如微带天线100(图1)的微带天线的带通特性。图形表示200包括以GHz表示频率的X轴202A和以分贝(dB)表示反射参数(S(1,1))的Y轴202B。

在图形表示200中，第一线204表示微带天线100的带通特性。微带天线100的带通特性(由第一线204表示)包括3.3GHz至5GHz频率范围内的通带。在图形表示200中，第一竖直线206A表示微带天线100的通带的下截止频率(即3.3GHz)。第二竖直线206B表示微带天线100的通带的上截止频率(即5GHz)。因此，位于通带中的频率(即3.3GHz至5GHz)通过微带天线100，其余频率受到阻挡。

图3A至3B示出了根据本公开的实施例的微带天线的史密斯图中从带阻到带通的转换。图3A至3B结合图1中的元件进行描述。参考图3A，示出了图形表示300A，该图形表示示出了史密斯图中传统微带天线的带阻特性。参考图3B，示出了图形表示300B，该图形表示示出了史密斯图中例如微带天线100(图1)的微带天线的带通特性。通常，史密斯图是圆形图，用于分析天线的阻抗。

在图形表示300A中，圆形图302表示史密斯图中传统微带天线的带阻特性。在传统微带天线中，反馈短截线(或λ/4线)用作窄带带阻滤波器(或陷波滤波器)。在图形表示300B中，圆形图304表示史密斯图中微带天线100(图1)的带通特性。传统微带天线的反馈短截线(即λ/4线)通过阻抗调谐从窄带带阻滤波器转换到微带天线100的带通滤波器。微带天线100的阻抗是通过使用两条短截反馈线(即第一短截反馈线106A和第二短截反馈线106B)改变天线尺寸来调谐的。因此，微带天线100在传统微带天线上实现了带通滤波器的特性。图4A至4B等图详细描述了振幅-频率从带阻到带通滤波器的转换。

图4A至4B示出了根据本公开的实施例的微带天线的振幅-频率从带阻到带通的转换。图4A至4B结合图1、3A和3B中的元件进行描述。参考图4A，示出了图形表示400A，该图形表示示出了传统微带天线的带阻特性。参考图4B，示出了图形表示400B，该图形表示示出了例如微带天线100(图1)的微带天线的带通特性。

图形表示400A包括表示频率的X轴402A和表示反射参数(S11)的Y轴402B。在图形表示400A中，第一线404表示传统微带天线的带阻特性。在传统微带天线中，反馈短截线用作窄带带阻滤波器。

图形表示400B包括表示频率的X轴406A和表示反射参数(S11)的Y轴406B。在图形表示400B中，第一线408表示微带天线100的带通特性。传统微带天线的反馈短截线通过阻抗匹配从窄带带阻滤波器转换为微带天线100的带通滤波器。

图5A是示出根据本公开的实施例的微带天线的反馈短截线的频率响应的图形表示。图5A结合图1和2中的元件进行描述。参考图5A，示出了图形表示500A，该图形表示示出了例如微带天线100(图1)的微带天线的反馈短截线的频率响应。图形表示500A包括表示频率的X轴502A和表示反射参数(S11)的Y轴502B。反馈短截线对应于微带天线100的第一短截反馈线106A和第二短截反馈线106B。

在图形表示500A中，第一线504表示微带天线100的第一短截反馈线106A的频率响应。第一短截反馈线106A用作微带天线100的滤波器1。第二线506表示微带天线100的第二短截反馈线106B的频率响应。第二短截反馈线106B用作微带天线100的滤波器2。第三线508表示微带天线100的天线结构102的频率响应。天线结构102充当单极天线。第一线504、第二线506和第三线508组合在一起时共同表示微带天线100的带通特性，图5B等图详细描述了该带通特性。

图5B是示出根据本公开的实施例的微带天线的带通特性的图形表示。图5B结合图1、2和5A中的元件进行描述。参考图5B，示出了图形表示500B，该图形表示示出了当微带天线100的反馈短截线(即第一短截反馈线106A和第二短截反馈线106B)和单极天线(即天线结构102)的频率响应组合时的带通特性。图形表示500B包括表示频率的X轴510A和表示反射参数(S11)的Y轴510B。

在图形表示500B中，第一线512表示微带天线100的带通特性。微带天线100的带通特性(由第一线512表示)是通过组合微带天线100的两条短截反馈线(即第一短截反馈线106A和第二短截反馈线106B)和单极天线(即天线结构102)的频率响应来获得的，频率响应分别由图5A中的第一线504、第二线506和第三线508表示。

微带天线100是针对C波段频率特别设计的，具有3.3GHz至5GHz的通带，而任何低于3.3GHz和高于5GHz的频率都受到阻挡，该微带天线用于汽车天线系统(automotiveantenna system，AAS)等汽车应用。然而，使用本公开中公开的类似技术和结构，微带天线100可以设计成在不同的频带中工作，例如用于移动通信的较低频带(即618MHz至960MHz)、用于移动通信的中频带(即1.42GHz至2.2GHz)、用于移动通信的较高频带(即2.30GHz至2.69GHz)、用于wifi通信的较低频带(即2.40GHz至2.49GHz)、用于wifi通信的较高频带(即5.15GHz至5.87GHz)、用于蓝牙低能通信的较低频带(即2.40GHz至2.48GHz)、全球导航卫星系统的不同频带、CAR2X(即5.85GHz至5.92GHz)等。

在不脱离所附权利要求书所定义的本公开范围的情况下，可以对上文描述的本公开的实施例进行修改。如“包括”、“结合”、“具有”、“是/为”等用于描述和要求保护本公开的表述旨在以非排他性的方式解释，即允许未明确描述的项目、组件或元件也存在。对单数的引用也应解释为涉及复数。本文使用的词语“示例性”表示“作为一个示例、实例或说明”。任何描述为“示例性的”实施例不一定解释为比其它实施例更优选或更有利，和/或排除其它实施例的特征的结合。本文使用的词语“可选地”表示“在一些实施例中提供且在其它实施例中没有提供”。应当理解，为了清楚起见而在单独实施例的上下文中描述的本公开的某些特征还可以通过组合提供在单个实施例中。相反地，为了清楚起见而在单个实施例的上下文中描述的本公开的各种特征也可以单独地或通过任何合适的组合或作为本公开的任何其它所描述实施例提供。

Claims (8)

1.一种用于在工作频率范围内工作的微带天线(100)，其特征在于，包括：

天线结构(102)，印刷在衬底(104)上的紧凑区域内；

反馈结构，印刷在所述衬底(104)上的所述紧凑区域内，其中所述反馈结构配置为用作具有定义所述工作频率范围的通带的阻抗匹配带通滤波器。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述反馈结构包括布置在所述天线结构(102)的馈电点(108)的两侧上的两条短截反馈线。

3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，所述两条短截反馈线中的每一条靠近所述天线结构(102)的所述馈电点(108)而终止。

4.根据权利要求2或3所述的天线，其特征在于，所述两条短截反馈线中的每一条沿着所述紧凑区域的边缘延伸。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的天线，其特征在于，所述紧凑区域大体上呈矩形或方形，高度和宽度各自在15mm至20mm的范围内。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的天线，其特征在于，所述天线结构(102)包括单极天线。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的天线，其特征在于，所述天线结构(102)包括偶极天线。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的天线，其特征在于，所述工作频率范围为约3.3GHz至约5.0GHz。

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