CN116759801A - 一种双波束滤波贴片天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双波束滤波贴片天线，包括金属顶层、第一介质基板、金属中间层、第二介质基板以及金属大地，金属顶层包括矩形金属贴片，矩形金属贴片的中心设置有圆形槽，圆形槽的中心设置有金属圆盘，矩形金属贴片的中部靠近水平两侧处分别设置有矩形槽；金属中间层包括竖直金属条带和水平金属条带；竖直金属条带与金属圆盘之间通过金属化过孔一连接，金属圆盘、第一介质基板、竖直金属条带、第二介质基板以及金属大地之间通过金属探针贯穿连接；金属顶层和金属大地之间通过两排金属化过孔二和两列金属化过孔三连接。本发明能够解决双波束滤波贴片天线存在的大尺寸问题，并能兼顾低剖面、平面集成及宽阻带等特性。
Description
技术领域
本发明涉及微波通信领域，具体来说，涉及一种双波束滤波贴片天线。
背景技术
双波束天线可以在单个天线中产生同时覆盖两个区域的波束，相比于单波束天线可以有效减小天线个数及对应的干扰，减少多径效应增加系统通信的链路质量以及减小不必要方向的功率损耗，符合无线通信系统小型化和集成化的发展趋势。目前获得双波束天线的主要方式有多阵元相位分布方式和单元方式。多阵元相位分布方式包括相控阵和漏波天线，都是基于多个单元的相位分布实现双波束，因此需要一定的口径和相位分布控制，天线尺寸较大、系统结构复杂。单元方式实现的双波束天线主要通过贴片天线实现，具有结构简单、尺寸小的特点，同时也可以通过组阵增加增益，是一种较好的双波束天线。在此基础上，融合滤波功能的双波束滤波贴片天线同时具备双波束辐射和滤波的能力，更容易实现射频前端器件的小型化和集成化，提高天线的频率选择性和系统的抗干扰能力。因此，双波束滤波贴片天线具有重要的研究意义及工程价值。
现有报道的双波束滤波贴片天线较少，主要有两种方法。一种方法是通过矩形开路贴片TM20模，结合同相槽模以及馈电条带与探针的等效谐振，构成双波束辐射频带，同时利用金属条带间的反向电流及辐射槽的等价串联带阻谐振实现辐射零点，但是由于需要增加空气层移除贴片的高次模来获得宽阻带响应，导致剖面较高、结构复杂、不易集成，并且整体尺寸较大为0.8× 0.4/>× 0.096/>。另一种方法是利用加载一对T型金属结构的工字型贴片的TM20模以及TM22模构成双波束辐射频带，并通过蘑菇型金属结构的吸收型谐振构成辐射零点，但是由于利用TM22模进行工作，导致整体尺寸较大为0.46/>× 0.8/>× 0.043/>，且带外高次模导致阻带带宽较窄。也就是说，现有的双波束滤波贴片天线存在尺寸较大的问题，并且部分设计存在剖面高、集成化程度较低或阻带带宽窄等问题。
发明内容
针对相关技术中的问题，本发明提出一种双波束滤波贴片天线，能够解决双波束滤波贴片天线存在的大尺寸问题，并能兼顾低剖面、平面集成及宽阻带等特性。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种双波束滤波贴片天线，包括金属顶层、第一介质基板、金属中间层、第二介质基板以及金属大地，所述金属顶层包括矩形金属贴片，所述矩形金属贴片的中心设置有圆形槽，所述圆形槽的中心设置有金属圆盘，所述矩形金属贴片的中部靠近水平两侧处分别设置有相互平行的矩形槽；所述金属中间层包括竖直金属条带和水平金属条带，所述竖直金属条带位于所述水平金属条带的中心，并与所述水平金属条带组成十字型金属条带；所述竖直金属条带与所述金属圆盘之间通过金属化过孔一连接，所述金属圆盘、所述第一介质基板、所述竖直金属条带、所述第二介质基板以及所述金属大地之间通过金属探针贯穿连接；所述金属顶层和所述金属大地之间通过两排金属化过孔二和两列金属化过孔三连接。
可选的，所述矩形金属贴片的长度为0.6~0.65/>，宽度为0.4/>~0.45/>。
可选的，所述圆形槽的直径为0.035~0.04/>；所述金属圆盘的直径为0.015~0.02/>。
可选的，所述矩形槽之间相互平行设置，且所述矩形槽的长度为0.06~0.08/>，两所述矩形槽的间距为0.25/>~0.3/>。
可选的，所述竖直金属条带的长度为0.2~0.25/>，所述水平金属条带的长度为0.3/>~0.35/>。
可选的，所述金属化过孔一的直径为0.01~0.015/>。
可选的，两排金属化过孔二分别位于所述矩形金属贴片的宽边边缘，孔直径为0.01~0.03/>，孔中心距为孔直径的两倍。
可选的，两列所述金属化过孔三到所述矩形金属贴片左右两侧的距离都为四分之一所述矩形金属贴片的长度，中间无孔空间占据的长度为0.07~0.1/>。
可选的，所述金属化过孔三的孔直径为所述金属化过孔二的孔直径的2~3倍，孔中心距为0.02~0.03/>。
可选的，所述金属探针到十字型金属条带的距离为0.01~0.03/>。
有益效果：本发明利用双模十字型带状线谐振器和金属探针与金属圆盘组成的馈电结构共同激励双边短路型开槽贴片谐振器，十字型带状线谐振器的双模与双边短路型开槽贴片谐振器耦合整体积分为零，进而实现两个辐射零点形成滤波功能，双边短路型开槽贴片谐振器的TM01模和TM21模能够工作并进行双波束辐射，而TM11模和TM02模得到抑制获得宽阻带特性，最终获得具有小尺寸、低剖面、高频率选择性、宽阻带特点的双波束滤波贴片天线。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的一种双波束滤波贴片天线的结构剖视图；
图2是根据本发明实施例的金属顶层的结构示意图；
图3是根据本发明实施例的金属中间层的结构示意图；
图4是根据本发明实施例的天线的仿真阻抗匹配和增益曲线图；
图5是根据本发明实施例的天线在3.32 GHz、3.45 GHz和3.65 GHz处的E面仿真方向图。
图中：
1、金属顶层；2、第一介质基板；3、金属中间层；4、第二介质基板；5、金属大地；6、矩形金属贴片；7、圆形槽；8、金属圆盘；9、矩形槽；10、竖直金属条带；11、水平金属条带；12、金属化过孔一；13、金属探针；14、金属化过孔二；15、金属化过孔三。
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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明的实施例，提供了一种双波束滤波贴片天线。
如图1-3所示，根据本发明实施例的一种双波束滤波贴片天线，包括金属顶层1、第一介质基板2、金属中间层3、第二介质基板4以及金属大地5，所述金属顶层1包括矩形金属贴片6，所述矩形金属贴片6的中心设置有圆形槽7，所述圆形槽7的中心设置有金属圆盘8，所述矩形金属贴片6的中部靠近水平两侧处分别设置有相互平行的矩形槽9；所述金属中间层3包括竖直金属条带10和水平金属条带11，所述竖直金属条带10位于所述水平金属条带11的中心，并与所述水平金属条带11组成十字型金属条带；所述竖直金属条带10与所述金属圆盘8之间通过金属化过孔一12连接，所述金属圆盘8、所述第一介质基板2、所述竖直金属条带10、所述第二介质基板4以及所述金属大地5之间通过金属探针13贯穿连接；所述金属顶层1和所述金属大地5之间通过两排金属化过孔二14和两列金属化过孔三15连接。
具体应用时，所述矩形金属贴片6的长度为0.6~0.65/>（/>为中心频率对应的自由空间波长），宽度为0.4/>~0.45/>；所述圆形槽7的直径为0.035/>~0.04/>；所述金属圆盘8的直径为0.015/>~0.02/>；所述矩形槽9之间相互平行设置，且所述矩形槽9的长度为0.06/>~0.08/>，两所述矩形槽9的间距为0.25/>~0.3/>；所述竖直金属条带10的长度为0.2/>~0.25/>，所述水平金属条带11的长度为0.3/>~0.35/>；所述金属化过孔一12的直径为0.01/>~0.015/>；两排金属化过孔二14分别位于所述矩形金属贴片6的宽边边缘，孔直径为0.01/>~0.03/>，孔中心距为孔直径的两倍；两列所述金属化过孔三15到所述矩形金属贴片6左右两侧的距离都为四分之一所述矩形金属贴片6的长度，中间无孔空间占据的长度为0.07/>~0.1/>；所述金属化过孔三15的孔直径为所述金属化过孔二14的孔直径的2~3倍，孔中心距为0.02/>~0.03/>；所述金属探针13到十字型金属条带的距离为0.01/>~0.03/>。
具体使用时，所述第一介质基板2、所述第二介质基板4、所述金属大地5、所述矩形金属贴片6、所述圆形槽7、所述矩形槽9、两排所述金属化过孔二14及两列所述金属化过孔三15构成双边短路型开槽贴片谐振器。所述第一介质基板2、所述第二介质基板4、所述金属大地5、十字型金属条带和所述矩形金属贴片6构成十字型带状线谐振器。
对于所提出的双波束滤波贴片天线，当天线端口馈入信号时，信号通过金属探针13馈入到十字型带状线谐振器，进一步馈入到双边短路型开槽贴片谐振器中，同时十字型带状线谐振器与双边短路型开槽贴片谐振器产生耦合，在耦合的过程中产生辐射零点用于形成天线的滤波功能，在工作频带内依靠双边短路型开槽贴片谐振器的TM01模和TM21模支持双波束辐射。
在工作机制上，两个辐射零点是通过十字型带状线谐振器的两个模式与双边短路型开槽贴片谐振器整体电场耦合积分为零所形成。十字型带状线谐振器的第一个模式，电场主要分布在水平金属条带11和竖直金属条带10上，水平金属条带11左右两部分的电场等辐同向并与竖直金属条带10上下两部分的电场等辐反向；十字型带状线谐振器的第二个模式，电场分布在竖直金属条带10上，并且竖直金属条带10上半部分的电场与下半部分的电场幅度相等，方向相反。对于双边短路型开槽贴片谐振器，不管是TM01模还是TM21模，在与十字型带状线谐振器的交叠部分都呈现同向分布。因此，十字型带状线谐振器的两个模式与双边短路型开槽贴片谐振器在耦合过程中整体积分为零，获得辐射零点，形成高频率选择性的滤波功能。
而金属探针13和金属圆盘8组成的馈电结构能够激励双边短路型开槽贴片谐振器的TM01模和TM21模，两个模式在贴片的左右边缘处水平电场分量等辐反向，因此都支持双波束辐射，并且天线尺寸相对较小。同时，该馈电结构能够有效抑制双边短路型开槽贴片谐振器TM11模和TM02模等高次模的激励，因此使得天线能够在不加入额外空气层的条件下获得宽阻带特性，避免天线剖面高度的提升。
双边短路型开槽贴片谐振器的矩形槽9用于微调TM01模和TM21模的模式强度分布，进而控制十字型带状线谐振器与双边短路型开槽贴片谐振器耦合过程中的两个辐射零点位置。结合十字型带状线谐振器对两个辐射零点的贡献，整体设计对辐射零点的调控自由度较高。
为了进一步的了解本发明的上述技术方案，以下通过设计案例对本发明的上述技术方案进行详细说明。
图4是根据本发明实施例的天线的仿真阻抗匹配和增益曲线图。从图4中可得知，该案例的工作频带覆盖3.3~3.7GHz，中心频率为3.5GHz，相对带宽为11.4%，工作频带内的最大增益为5.92dBi，在3.26GHz和3.75GHz处分别产生辐射零点，具有良好的频率选择性。10dB带外抑制可至2倍中心频率，具有较宽的阻带。图5是在反射零点3.32 GHz、3.45 GHz和3.65 GHz处的天线仿真E面方向图。从图5中可以看出，该天线在三个反射零点处产生的双波束都指向±39°，在频带内具有稳定的双波束辐射，交叉极化水平分别为-42.5dB、-76.8dB和-36.2dB。本案例采用的介质基板为RO4003C基板，辐射体的尺寸为0.64×0.42/> × 0.037/>，尺寸相对较小，剖面较低。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，本发明利用双模十字型带状线谐振器和金属探针与金属圆盘组成的馈电结构共同激励双边短路型开槽贴片谐振器，十字型带状线谐振器的双模与双边短路型开槽贴片谐振器耦合整体积分为零，进而实现两个辐射零点形成滤波功能，双边短路型开槽贴片谐振器的TM01模和TM21模能够工作并进行双波束辐射，而TM11模和TM02模得到抑制获得宽阻带特性，最终获得具有小尺寸、低剖面、高频率选择性、宽阻带特点的双波束滤波贴片天线。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，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 (10)
1.一种双波束滤波贴片天线，包括金属顶层（1）、第一介质基板（2）、金属中间层（3）、第二介质基板（4）以及金属大地（5），其特征在于，所述金属顶层（1）包括矩形金属贴片（6），所述矩形金属贴片（6）的中心设置有圆形槽（7），所述圆形槽（7）的中心设置有金属圆盘（8），所述矩形金属贴片（6）的中部靠近水平两侧处分别设置有相互平行的矩形槽（9）；所述金属中间层（3）包括竖直金属条带（10）和水平金属条带（11），所述竖直金属条带（10）位于所述水平金属条带（11）的中心，并与所述水平金属条带（11）组成十字型金属条带；所述竖直金属条带（10）与所述金属圆盘（8）之间通过金属化过孔一（12）连接，所述金属圆盘（8）、所述第一介质基板（2）、所述竖直金属条带（10）、所述第二介质基板（4）以及所述金属大地（5）之间通过金属探针（13）贯穿连接；所述金属顶层（1）和所述金属大地（5）之间通过两排金属化过孔二（14）和两列金属化过孔三（15）连接。
2.根据权利要求1所述的一种双波束滤波贴片天线，其特征在于，所述矩形金属贴片（6）的长度为0.6~0.65/>，宽度为0.4/>~0.45/>。
3.根据权利要求1所述的一种双波束滤波贴片天线，其特征在于，所述圆形槽（7）的直径为0.035~0.04/>；所述金属圆盘（8）的直径为0.015/>~0.02/>。
4.根据权利要求1所述的一种双波束滤波贴片天线，其特征在于，所述矩形槽（9）之间相互平行设置，且所述矩形槽（9）的长度为0.06~0.08/>，两所述矩形槽（9）的间距为0.25λ0~0.3λ0。
5.根据权利要求1所述的一种双波束滤波贴片天线，其特征在于，所述竖直金属条带（10）的长度为0.2~0.25/>，所述水平金属条带（11）的长度为0.3/>~0.35/>。
6.根据权利要求1所述的一种双波束滤波贴片天线，其特征在于，所述金属化过孔一（12）的直径为0.01~0.015/>。
7.根据权利要求1所述的一种双波束滤波贴片天线，其特征在于，两排金属化过孔二（14）分别位于所述矩形金属贴片（6）的宽边边缘，孔直径为0.01~0.03/>，孔中心距为孔直径的两倍。
8.根据权利要求1所述的一种双波束滤波贴片天线，其特征在于，两列所述金属化过孔三（15）到所述矩形金属贴片（6）左右两侧的距离都为四分之一所述矩形金属贴片（6）的长度，中间无孔空间占据的长度为0.07~0.1/>。
9.根据权利要求1所述的一种双波束滤波贴片天线，其特征在于，所述金属化过孔三（15）的孔直径为所述金属化过孔二（14）的孔直径的2~3倍，孔中心距为0.02~0.03/>。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的一种双波束滤波贴片天线，其特征在于，所述金属探针（13）到十字型金属条带的距离为0.01~0.03/>。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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