CN116487890A - 一种高增益、高滚降率的滤波贴片天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高增益、高滚降率的滤波贴片天线，包括第一介质板、第二介质板、天线辐射贴片、金属寄生条、U型微带线、金属地板、同轴线和短路针；所述第一介质板设置于第二介质板的上方；天线辐射贴片和金属寄生条印刷于第一介质板的上表面，U型微带线印刷于第一介质板的下表面，金属地板印刷于第二介质板的下表面；所述同轴线从第二介质板的下方引入，同轴线的外导体与金属地板电性连接，同轴线的内导体依次穿过第一介质板和第二介质板，且与U型微带线和天线辐射贴片电性连接；所述天线辐射贴片上蚀刻有两个L型槽。本发明具有较强的滤波特性，同时还具有高增益、高滚降率的特性，提高了天线的频率选择性。

Description

一种高增益、高滚降率的滤波贴片天线
技术领域
本发明涉及通讯天线领域，具体涉及一种高增益、高滚降率的滤波贴片天线。
背景技术
随着移动通信技术的快速发展，现在已经进入了5G和B5G时代，移动通信的终端基站，往往需要工作在2G、3G、4G、5G等多个工作频段。而且如今的频谱资源十分宝贵，天线在工作时可能会受到其他工作频段的天线干扰。为了使天线工作在自己的频段，并滤除其他天线产生的干扰信号，设计滤波天线就显得十分重要。
滤波天线能够满足在某个特定频段工作而不受其他信号干扰的要求，且能有效减小天线的能量损耗、节约空间资源、降低成本。因此，这使得所设计的基站天线需要具备滤波的特性，滤波天线将是基站天线发展的主要趋势之一。
滚降率的高低是判断滤波天线滤波效果好坏的一个重要判断依据，滚降率指的是天线工作频段边缘的增益下降斜率，斜率越大，表明抑制干扰信号的效果越好，频率的选择性就越好。因此，提高滤波天线的滚降率对于通讯天线的技术发展具有重要意义。
然而，现有技术的滤波天线中，高增益和高滚降率特性往往无法兼顾。比如，公开号为CN114914697A的中国发明专利，公开了一种用于全双工通信的双极化频率可重构微带贴片滤波天线，该天线只有4％带宽，最大增益为6.8dB。又比如，公开号为CN115498409A的中国发明专利，公开了一种带有交叉极化抑制的滤波贴片天线，该天线的低频滚降率约为78，高频滚降率约为64，有待进一步提升。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术中的缺陷，提供一种高增益、高滚降率的滤波贴片天线，其具有在保持良好滤波特性的同时，还具有高增益、高滚降率的特性，具备良好的频率选择性。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高增益、高滚降率的滤波贴片天线，包括第一介质板、第二介质板、天线辐射贴片、金属寄生条、U型微带线、金属地板、同轴线和短路针；
所述第一介质板设置于第二介质板的上方；天线辐射贴片和金属寄生条印刷于第一介质板的上表面，U型微带线印刷于第一介质板的下表面，金属地板印刷于第二介质板的下表面；所述同轴线从第二介质板的下方引入，同轴线的外导体与金属地板电性连接，同轴线的内导体依次穿过第一介质板和第二介质板，且与U型微带线和天线辐射贴片电性连接；所述短路针依次穿过第一介质板和第二介质板，将金属地板和天线辐射贴片电性连接；
其中，天线辐射贴片呈矩形，设置于第一介质板上表面的中部；天线辐射贴片具有平行于X轴的第一短边和第二短边，以及平行于Y轴的第一长边和第二长边；
所述金属寄生条有两个，金属寄生条的长度方向平行于Y轴，两个金属寄生条分别设置于天线辐射贴片的第一长边和第二长边的中部外侧；
所述天线辐射贴片上蚀刻有两个L型槽，所述两个L型槽的形状尺寸相同且互相对称设置；两个L型槽分别包括一条平行于Y轴的短边和一条平行于X轴的长边，两个L型槽的长边的一端分别连接于天线辐射贴片的第一长边和第二长边，两个L型槽的长边的另一端分别与各自短边的一端垂直连接，两个L型槽的短边的另一端均朝向U型微带线的所在方位设置。
进一步地，所述两个L型槽用于使天线产生第一辐射零点，单个L型槽的长度为第一辐射零点中心频率对应的四分之一个波长，通过改变L型槽的长度以控制第一辐射零点左右移动。
进一步地，所述两个金属寄生条用于使天线产生第二辐射零点，单个金属寄生条的长度为第二辐射零点中心频率对应的半波长，通过改变金属寄生条的长度以控制第二辐射零点左右移动。
进一步地，所述U型微带线包括互相连接的两条长边和一条短边；U型微带线的两条长边平行于Y轴设置，U型微带线的短边平行于X轴设置，U型微带线的短边两端分别连接于两条长边远离L型槽的一端，使得U型微带线的开口朝向两个L型槽的所在方位；同轴线的内导体从U型微带线的短边中点穿过且与之电性连接。
进一步地，所述U型微带线用于使天线产生第三辐射零点，U型微带线的总长度为第三辐射零点中心频率对应的半波长，通过改变U型微带线的长度以控制第三辐射零点左右移动。
进一步地，第一介质板下表面还印刷有寄生环，所述寄生环呈矩形环状，环绕于U型微带线的四周，将U型微带线包围在内。
进一步地，所述短路针有两个，两个短路针设置于天线辐射贴片的覆盖范围内，且分别位于U型微带线的两条长边外侧。
进一步地，所述同轴线内导体与天线辐射贴片的馈电连接点到天线辐射贴片的第一长边和第二长边的距离相等，馈电连接点到天线辐射贴片的第一短边和第二短边的距离之比为1:3；所述两个L型槽的长边到天线辐射贴片的第一短边和第二短边的距离之比为4:1。
进一步地，金属寄生条到天线辐射贴片的距离为天线辐射贴片的第一长边和第二长边长度的1/4，金属寄生条的长度小于天线辐射贴片的第一长边和第二长边。
进一步地，单个L型槽的长边与短边的长度之比为3:2；所述U型微带线的长边与短边的长度之比为3:1~2:1。
本发明通过在天线辐射贴片上开设L型槽、在天线辐射贴片的两侧设置金属寄生条，以及在天线辐射贴片下方设置U型微带线并将其与同轴线内导体相接等三种方式，分别使得天线在带外产生三个零点，进而使得天线能在工作频段不受其他信号影响，使不同天线之间的干扰大大减少，具有较强的滤波特性。
同时，以上用于产生三个零点的结构使得本发明的天线在通频带内具有良好的阻抗匹配特性，使得电流大量聚积，因此具有高增益的特点。并且通过设计上述结构的形状特征，可以控制零点的位置更靠近通频带边缘，使得本发明的天线具有高滚降率的特性，提高了天线的频率选择性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种高增益、高滚降率的滤波贴片天线的结构爆炸图。
图2是本发明实施例中的第一介质板的结构俯视图。
图3是本发明实施例的天线的S参数仿真图。
图4是本发明实施例的天线的增益曲线仿真图。
图5是本发明实施例的天线在第一辐射零点频率下的电流分布图。
图6是本发明实施例的天线在第二辐射零点频率下的电流分布图。
图7是本发明实施例的天线在第三辐射零点频率下的电流分布图。
图8是本发明实施例的天线在低频谐振点频率下的电流分布图。
图9是本发明实施例的天线在高频谐振点频率下的电流分布图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1和图2所示，本发明实施例提供的一种高增益、高滚降率的滤波贴片天线，包括第一介质板11、第二介质板12、天线辐射贴片2、金属寄生条3、U型微带线4、金属地板6、同轴线7和短路针8。
本实施例中，第一介质板11和第二介质板12的材料为Arlon DiClad 880，介电常数为2.2。
所述第一介质板11设置于第二介质板12的上方；天线辐射贴片2和金属寄生条3印刷于第一介质板11的上表面，U型微带线4印刷于第一介质板11的下表面，金属地板6印刷于第二介质板12的下表面；所述同轴线7从第二介质板12的下方引入，同轴线7的外导体与金属地板6电性连接，同轴线7的内导体依次穿过第一介质板11和第二介质板12，且与U型微带线4和天线辐射贴片2电性连接；所述短路针8依次穿过第一介质板11和第二介质板12，将金属地板6和天线辐射贴片2电性连接。
其中，所述天线辐射贴片2呈矩形，设置于第一介质板11上表面的中部；天线辐射贴片2具有平行于X轴的第一短边和第二短边，以及平行于Y轴的第一长边和第二长边；结合图2所示的方位，天线辐射贴片2中，位于正X轴方向（右侧边）的为第一长边，位于负X轴方向（左侧边）的为第二长边，位于正Y轴方向（上侧边）的为第一短边，位于负Y轴方向（下侧边）的为第二短边。
所述金属寄生条3有两个，金属寄生条3的长度方向平行于Y轴，两个金属寄生条3分别设置于天线辐射贴片2的第一长边和第二长边的中部外侧，即天线辐射贴片2的正负X轴方向两侧。
所述天线辐射贴片2上蚀刻有两个L型槽20，所述两个L型槽20的形状尺寸相同且互相对称设置；两个L型槽20分别包括一条平行于Y轴的短边和一条平行于X轴的长边，两个L型槽20的长边的一端分别连接于天线辐射贴片2的第一长边和第二长边，两个L型槽20的长边的另一端分别与各自短边的一端垂直连接，两个L型槽20的短边的另一端均朝向U型微带线4的所在方位设置。
作为改进，第一介质板11的下表面还印刷有寄生环5，所述寄生环5呈矩形环状，环绕于U型微带线4的四周，将U型微带线4包围在内。所述寄生环5用于改善天线的阻抗匹配。
进一步地，所述短路针8有两个，两个短路针8设置于天线辐射贴片2的覆盖范围内，且分别位于U型微带线4的两条长边外侧。所述两个短路针8将天线辐射贴片2与你数地板6相连接，用于改善天线的阻抗匹配。
在图2中，采用了虚线的方式，将U型微带线4和寄生环5绘制于第一介质板11的俯视图中。需要注意的是，U型微带线4和寄生环5实质设置于第一介质板11的下表面；在图2中采用虚线形式绘制U型微带线4和寄生环5，为了便于将印刷于第一介质板11上下表面的结构进行更加直观的对比展示，以表现U型微带线4与L型槽20的相对位置关系。
进一步地，所述U型微带线4包括互相连接的两条长边和一条短边；U型微带线4的两条长边平行于Y轴设置，U型微带线4的短边平行于X轴设置，U型微带线4的短边两端分别连接于两条长边远离L型槽20的一端，使得U型微带线4的开口朝向两个L型槽20的所在方位；同轴线7的内导体从U型微带线4的短边中点穿过且与之电性连接。
在本实施例中，所述同轴线7的内导体与天线辐射贴片2的馈电连接点到天线辐射贴片2的第一长边和第二长边的距离相等，馈电连接点到天线辐射贴片2的第一短边和第二短边的距离之比为1:3，即所述馈电连接点在Y轴方向上设置于靠近第一短边（上侧边）的位置；所述两个L型槽20的长边到天线辐射贴片2的第一短边和第二短边的距离之比为4:1，即L型槽20在Y轴方向上设置于靠近第二短边（下侧边）的位置。
进一步地，所述金属寄生条3到天线辐射贴片2的距离为天线辐射贴片2的第一长边和第二长边长度的1/4，并且金属寄生条3的长度小于天线辐射贴片2的第一长边和第二长边。
进一步地，单个L型槽20的长边与短边的长度之比为3:2；所述U型微带线4的长边与短边的长度之比为3:1~2:1。
进一步地，两个短路针8之间的距离约为天线辐射贴片2的短边长度的1/2，并且短路针8到天线辐射贴片2的第一短边和第二短边的距离之比为3:5。
在本发明实施例中，所述两个L型槽20用于使天线产生第一辐射零点，单个L型槽20的长度（即单个L型槽20的长边与短边长度之和）为第一辐射零点中心频率对应的四分之一个波长，通过改变L型槽20的长度可以控制第一辐射零点左右移动。天线工作时，第一辐射零点频率下的电流会集中在L型槽20处，且电流方向在L型槽20的内外两侧相反，导致电流相位相互抵消，使得天线失配，产生阻带。
所述两个金属寄生条3用于使天线产生第二辐射零点，单个金属寄生条3的长度为第二辐射零点中心频率对应的半波长，通过改变金属寄生条3的长度可以控制第二辐射零点左右移动。天线工作时，第二辐射零点频率下的电流集中在金属寄生条3附近，使得天线失配、产生阻带。
所述U型微带线4用于使天线产生第三辐射零点，U型微带线4的总长度为第三辐射零点中心频率对应的半波长，通过改变U型微带线4的长度可以控制第三辐射零点左右移动。天线工作时，第三辐射零点频率下的电流会集中在U型微带线4处，使得天线失配、产生阻带。
本发明通过以上方式使得天线在带外产生三个零点，进而使得天线能在工作频段不受其他信号影响，使不同天线之间的干扰大大减少，具有较强的滤波特性。
图3是本发明实施例的天线的S参数仿真图，从图中可以看到，本发明实施例的天线的阻抗带宽为3.4%（2.31-2.39GHz）。
图4是本发明实施例的天线的增益曲线仿真图，从图中可以看到，本发明实施例的天线的最大增益达到9.3dB，低频带外抑制水平高于14.2dB，高频带外抑制水平高于14.8dB，并且低频滚降率为343，高频滚降率为544，其中滚降率代表了天线工作频段边缘的增益下降斜率，本发明实施例在高频及低频均具有高滚降率。
具体地，本发明实施例通过在天线辐射贴片2上引入U型微带线4以及增加金属寄生条3，能够在对应的波长频率下激发新的辐射模式，使得大量电流在通频带内聚积，增强了天线的辐射性能，实现了较高的增益。同时，通过设计三个零点对应结构的特定形状特征，使得本发明的三个零点位置更靠近通频带边缘，大大增加了通频带边缘与阻带之间的增益滚降率，实现了高频率选择性。
图5是本发明实施例的天线在第一辐射零点频率下的电流分布图。从图中可以看到，在第一辐射零点频率下，电流主要集中在L型槽20，并且电流在L型槽20两侧的电流大小相等，方向相反，导致电流相互抵消，辐射也因此抵消，因此产生第一辐射零点。
图6是本发明实施例的天线在第二辐射零点频率下的电流分布图。从图中可以看到，在第二辐射零点频率下，电流主要集中在L型槽20附近、天线辐射贴片2两侧以及金属寄生条3上。可以注意到，电流在L型槽20两侧的电流大小相等，方向相反，导致电流相互抵消。并且，电流在金属寄生条3的流动方向与在天线辐射贴片2两侧的方向也是相反的，因此导致电流抵消。整体来看，主要的电流都相互抵消，因此产生第二辐射零点。
图7是本发明实施例的天线在第三辐射零点频率下的电流分布图。从图中可以看到，在第三辐射零点频率下，电流主要集中在U型微带线4附近，且电流在U型微带线4上的电流大小相等方向相反，导致电流相互抵消。可以注意到，天线辐射贴片2上的电流很弱，因此导致天线辐射贴片2无法正常辐射，因此产生第三辐射零点。
图8是本发明实施例的天线在低频谐振点频率下的电流分布图。从图中可以看到，在低频谐振点频率下，电流主要集中在L型槽20和金属寄生条3。并且电流在L型槽20两侧的电流大小相等，方向相反，导致电流相互抵消，因此等效于只有金属寄生条3存在电流，且指向同一个方向。可以看出在低频谐振点频率下，主要是金属寄生条3在发挥辐射作用，激励了低频零点。
图9是本发明实施例的天线在高频谐振点频率下的电流分布图。从图中可以看到，在高频谐振点频率下，电流主要集中在L型槽20和天线辐射贴片2两侧。并且电流在L型槽20两侧的电流大小相等，方向相反，导致电流相互抵消，但天线辐射贴片2两侧的电流仍然存在，且指向同一个方向。可以看出在高频谐振点频率下，等效TM01模式在发挥辐射作用，激励了高频零点。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种高增益、高滚降率的滤波贴片天线，其特征在于，包括第一介质板、第二介质板、天线辐射贴片、金属寄生条、U型微带线、金属地板、同轴线和短路针；
所述第一介质板设置于第二介质板的上方；天线辐射贴片和金属寄生条印刷于第一介质板的上表面，U型微带线印刷于第一介质板的下表面，金属地板印刷于第二介质板的下表面；所述同轴线从第二介质板的下方引入，同轴线的外导体与金属地板电性连接，同轴线的内导体依次穿过第一介质板和第二介质板，且与U型微带线和天线辐射贴片电性连接；所述短路针依次穿过第一介质板和第二介质板，将金属地板和天线辐射贴片电性连接；
其中，天线辐射贴片呈矩形，设置于第一介质板上表面的中部；天线辐射贴片具有平行于X轴的第一短边和第二短边，以及平行于Y轴的第一长边和第二长边；
所述金属寄生条有两个，金属寄生条的长度方向平行于Y轴，两个金属寄生条分别设置于天线辐射贴片的第一长边和第二长边的中部外侧；
所述天线辐射贴片上蚀刻有两个L型槽，所述两个L型槽的形状尺寸相同且互相对称设置；两个L型槽分别包括一条平行于Y轴的短边和一条平行于X轴的长边，两个L型槽的长边的一端分别连接于天线辐射贴片的第一长边和第二长边，两个L型槽的长边的另一端分别与各自短边的一端垂直连接，两个L型槽的短边的另一端均朝向U型微带线的所在方位设置。
2.根据权利要求1所述的高增益、高滚降率的滤波贴片天线，其特征在于，所述两个L型槽用于使天线产生第一辐射零点，单个L型槽的长度为第一辐射零点中心频率对应的四分之一个波长，通过改变L型槽的长度以控制第一辐射零点左右移动。
3.根据权利要求2所述的高增益、高滚降率的滤波贴片天线，其特征在于，所述两个金属寄生条用于使天线产生第二辐射零点，单个金属寄生条的长度为第二辐射零点中心频率对应的半波长，通过改变金属寄生条的长度以控制第二辐射零点左右移动。
4.根据权利要求3所述的高增益、高滚降率的滤波贴片天线，其特征在于，所述U型微带线包括互相连接的两条长边和一条短边；U型微带线的两条长边平行于Y轴设置，U型微带线的短边平行于X轴设置，U型微带线的短边两端分别连接于两条长边远离L型槽的一端，使得U型微带线的开口朝向两个L型槽的所在方位；同轴线的内导体从U型微带线的短边中点穿过且与之电性连接。
5.根据权利要求4所述的高增益、高滚降率的滤波贴片天线，其特征在于，所述U型微带线用于使天线产生第三辐射零点，U型微带线的总长度为第三辐射零点中心频率对应的半波长，通过改变U型微带线的长度以控制第三辐射零点左右移动。
6.根据权利要求5所述的高增益、高滚降率的滤波贴片天线，其特征在于，第一介质板下表面还印刷有寄生环，所述寄生环呈矩形环状，环绕于U型微带线的四周，将U型微带线包围在内。
7.根据权利要求6所述的高增益、高滚降率的滤波贴片天线，其特征在于，所述短路针有两个，两个短路针设置于天线辐射贴片的覆盖范围内，且分别位于U型微带线的两条长边外侧。
8.根据权利要求5所述的高增益、高滚降率的滤波贴片天线，其特征在于，所述同轴线内导体与天线辐射贴片的馈电连接点到天线辐射贴片的第一长边和第二长边的距离相等，馈电连接点到天线辐射贴片的第一短边和第二短边的距离之比为1:3；所述两个L型槽的长边到天线辐射贴片的第一短边和第二短边的距离之比为4:1。
9.根据权利要求8所述的高增益、高滚降率的滤波贴片天线，其特征在于，金属寄生条到天线辐射贴片的距离为天线辐射贴片的第一长边和第二长边长度的1/4，金属寄生条的长度小于天线辐射贴片的第一长边和第二长边。
10.根据权利要求8所述的高增益、高滚降率的滤波贴片天线，其特征在于，单个L型槽的长边与短边的长度之比为3:2；所述U型微带线的长边与短边的长度之比为3:1~2:1。
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