CN116780174A - 一种滤波端射天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种滤波端射天线，包括金属顶层、介质层以及金属底层，金属顶层上设置有水平金属带、第一水平金属条带对、阶梯型金属结构、共面耦合线、第二水平金属条带对、电阻以及耦合微带线；其中，水平金属带位于金属顶层的天线端射方向最前端；第一水平金属条带对位于水平金属带下方：阶梯型金属结构具有两个，且分别与第一水平金属条带对中的金属条带连接，且阶梯型金属结构的下方连接有共面耦合线，共面耦合线的下方连接有耦合微带线；第二水平金属条带对中的金属条带分别位于共面耦合线的两侧，且每个金属条带与对应的共面耦合线之间连接有电阻。本发明能够减小天线的整体尺寸，增加辐射零点的个数，同时实现带外特定频带的无反射功能。
Description
技术领域
本发明涉及射频通信技术领域，具体来说，涉及一种滤波端射天线。
背景技术
滤波器与天线是微波系统中的重要部件，分别实现滤波与辐射功能，传统设计采用级联方式实现。如果将滤波功能通过技术手段融入到天线中，形成滤波天线，同时具备滤波与辐射功能，不仅可以减少微波系统中滤波器或非辐射谐振器的个数，提高系统效率、减少尺寸及成本，而且可以降低非同频天线间的互耦，达到缩小天线系统口面的目的。平面准入木天线是一种重要的平面集成端射天线，如何在不增加天线尺寸的条件下，将滤波功能融入到平面准入木天线中形成滤波端射天线非常具有挑战性，并且能同时具备滤波天线的优势以及小尺寸、平面可集成等优点。
目前基于平面准入木天线实现的滤波端射天线主要有四种。第一种是在天线外部级联滤波结构，比如级联带通滤波器，压缩天线带宽并实现滤波响应；级联带阻滤波器，提高天线高频边带的滤波响应。这类滤波端射天线的滤波响应主要由额外的滤波结构实现及控制，因此需要占用较大的额外尺寸。第二种是在天线的驱动器和反射器之间加入滤波结构，比如加入平行线带通滤波器帮助天线压制带宽及实现滤波性能，或者加入低通滤波器提升天线的带外抑制频带宽带。此类设计相对于第一种滤波端射天线并没有额外增加天线的尺寸，但是需要在驱动器和反射器之间有足够的空间放入滤波器，并且在性能上辐射零点较少，最多只有两个，不利于提高滤波性能。第三种是在平面准入木天线之外并联带阻滤波结构与电阻的组合，用于吸收工作频带之外的信号，从而辅助实现滤波特性。该种方法的好处是在实现滤波端射的同时，实现了带外无反射功能，但是也存在诸多问题，比如在结构上需要在天线之外加入额外的带阻结构，极大地增加了滤波天线的整体尺寸，在性能上辐射零点只有少数，并且带外抑制水平较低。第四种方法是通过双面平行线作为天线的驱动及引向单元，并在两者之间加入了寄生的双面平行线结构。该方法的好处是不需要加入额外的滤波结构，但是其引向器需要非常大的尺寸，并且在性能上只有两个辐射零点，在带外没有无反射功能。为了在滤波端射天线中减少尺寸、增加辐射零点个数及实现带外无反射功能。
也就是说，现有基于平面准入木天线实现的滤波端射天线，需在天线之外级联滤波结构，或在天线内为滤波结构预留空间，或使用较大尺寸的结构，导致整体尺寸较大；在性能上辐射零点较少，并且大部分设计没有带外无反射功能，部分设计带外的抑制水平较低，因此，有必要提出一种新型的滤波端射天线。
发明内容
针对相关技术中的问题，本发明提出一种滤波端射天线，能够减小平面准入木滤波端射天线在端射方向的整体尺寸，增加辐射零点的个数，同时实现带外特定频带的无反射功能。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种滤波端射天线，包括金属顶层、介质层以及金属底层，其中，所述介质层连接于所述金属顶层与所述金属底层之间，所述金属顶层上设置有水平金属带、第一水平金属条带对、阶梯型金属结构、共面耦合线、第二水平金属条带对、电阻以及耦合微带线；其中，所述水平金属带位于所述金属顶层的天线端射方向最前端；所述第一水平金属条带对位于所述水平金属带下方；所述阶梯型金属结构具有两个，且分别与所述第一水平金属条带对中的金属条带连接，且所述阶梯型金属结构的下方连接有共面耦合线，所述共面耦合线的下方连接有耦合微带线；所述第二水平金属条带对中的金属条带分别位于所述共面耦合线的两侧，且每个金属条带与对应的共面耦合线之间连接有所述电阻。
可选的，所述水平金属条带的水平方向长度在0.34λ0～0.38λ0。
可选的，所述第一水平金属条带对的每条金属条带的水平方向长度为0.21λ0～0.23λ0，且每条金属条带与所述水平金属条带之间的间距为0.022λ0～0.026λ0。
可选的，所述阶梯型金属结构为上窄下宽结构，且所述阶梯型金属结构上下分别与第一水平金属条带对、共面耦合线靠里侧对齐连接。
可选的，所述共面耦合线的长度为0.070λ0～0.074λ0，对应阻抗为128Ohm～132Ohm。
可选的，所述第二水平金属条带对的每条金属条带的水平方向长度为0.46λ0～0.48λ0。
可选的，所述第二水平金属条带对与所述第一水平金属条带对之间的间距为0.06λ0～0.08λ0；所述第二水平金属条带对与所述金属底层之间的间距为0.010λ0～0.014λ0。
可选的，所述电阻的阻值为50Ohm。
可选的，所述耦合微带线长度为0.22λ0～0.26λ0，对应阻抗为100Ohm。
可选的，所述滤波端射天线为左右对称式结构。
有益效果：
本发明在平面准入木天线的辐射体部分引入金属条带及电阻，实现了双模对应的双频吸收特性及其双模电流与驱动器及引向器电流的混合抵消增加辐射零点，形成具有多辐射零点、带外特定频带无反射的平面滤波端射天线，并且整体端射方向尺寸较小。
而阶梯型金属结构采用上端窄下端宽的形状，上接第一水平金属条带对，下接共面耦合线，避免了改变辐射体的辐射阻抗及等效辐射长度，达到较好的过渡效果。
而第二水平金属条带对每条通过电阻与共面耦合馈线相连，可实现带外高低频处的无反射功能；第二水平金属条带对与第一水平金属条带对的间距满足了辐射零点所需要的相位关系。而水平金属条带和第一水平金属条带对之间保持了良好的匹配，可调控带宽及控制频率高端两个辐射零点的位置。共面耦合线作为馈线及阻抗匹配结构，内侧与第一水平金属条带对和阶梯型金属结构平齐，保证了良好的匹配，并减小了非连续性结构带来的寄生效应。
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滤波端射天线的侧面结构示意图；
图2是根据本发明实施例的滤波端射天线的金属顶层的正面结构示意图；
图3是根据本发明实施例的滤波端射天线的金属底层的正面结构示意图；
图4是根据本发明实施例的滤波端射天线的天线匹配和增益的仿真曲线图；
图5是根据本发明实施例的滤波端射天线在3.4GHz处的天线仿真方向图；
图6是根据本发明实施例的滤波端射天线在3.8GHz处的天线仿真方向图。
图中：
1、金属顶层；11、水平金属带；12、第一水平金属条带对；13、阶梯型金属结构；14、共面耦合线；15、第二水平金属条带对；16、电阻；17、耦合微带线；2、介质层；3、金属底层。
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，提供了一种滤波端射天线。
如图1-3所示，根据本发明实施例的一种滤波端射天，包括金属顶层1、介质层2以及金属底层3，其中，所述介质层2连接于所述金属顶层1与所述金属底层3之间，所述金属顶层1上设置有水平金属带11、第一水平金属条带对12、阶梯型金属结构13、共面耦合线14、第二水平金属条带对15、电阻16以及耦合微带线17；其中，所述水平金属带11位于所述金属顶层1的天线端射方向最前端；所述第一水平金属条带对12位于所述水平金属带11下方；所述阶梯型金属结构13具有两个，且分别与所述第一水平金属条带对12中的金属条带连接，且所述阶梯型金属结构13的下方连接有共面耦合线14，所述共面耦合线14的下方连接有耦合微带线17；所述第二水平金属条带对15中的金属条带分别位于所述共面耦合线14的两侧，且每个金属条带与对应的共面耦合线14之间连接有所述电阻16。
具体应用时，水平金属条带11水平方向长度在0.34λ0～0.38λ0之间(λ0为中心频率对应的自由空间波长)，位于天线端射方向最前端。第一水平金属条带对12每条的水平方向长度在0.21λ0～0.23λ0之间，位于第水平金属条带11下方，与水平金属条带11的间隔在0.022λ0～0.026λ0之间。上端细下端宽的阶梯型金属结构13上接第一水平金属条带对12，下接共面耦合线14。共面耦合线14长度在0.070λ0～0.074λ0之间，对应阻抗在128～132Ohm之间。耦合微带线17长度在0.22λ0～0.26λ0之间，对应阻抗为100Ohm。阶梯型金属结构13上下分别与第一水平金属条带对12、共面耦合线14靠里侧对齐连接。第二水平金属条带对15每条的水平方向长度在0.46λ0～0.48λ0之间，在与共面耦合线14之间放置阻值为50Ohm的电阻16。第二水平金属条带对15与第一水平金属条带对12间隔在0.06λ0～0.08λ0之间，与金属底层3之间间距在0.010λ0～0.014λ0之间。天线整体结构呈左右对称分布。
使用时，本发明所提出的滤波端射天线，差模信号从作为馈线的耦合微带线17馈入，通过由共面耦合线14和阶梯型金属结构13组成的馈线传输到作为驱动元件的第一水平金属条带对12，激励出第一水平金属条带对12的奇模，产生低频谐振点，并提供有效辐射。信号再耦合到作为引向器的水平金属条带11，激励出水平金属条带11的奇模，产生高频谐振点，并提供有效的辐射。水平金属条带11和第一水平金属条带对12共同产生端射的辐射模式，并提供天线的辐射频带。另一部分带外信号经共面耦合线14传输到电阻16以及与电阻16相连的第二水平金属条带对15，激励出第二水平金属条带对15的两个奇模，并被较大程度吸收，产生两个带外吸收零点。阶梯状金属结构13和共面耦合线14用于阻抗匹配。
低端第一辐射零点的产生由水平金属条带11，第一水平金属条带对12，金属底层3相互作用，三者的电场在远场处相互抵消，从而产生辐射零点。低端第二辐射零点由水平金属条带11、第一水平金属条带对12和用于吸收的第二水平金属条带对15共同作用形成，其中，水平金属条带11和第二水平金属条带对15第一奇模的电场呈同相，与第一水平金属条带对12的电场反相，在远场形成相互抵消的场。
高端第一辐射零点的产生由水平金属条带11，第一水平金属条带对12共同作用形成，此时电场的初始相位差和辐射的路径总差接近180°，从而产生辐射零点。高端第二辐射零点产生的原因与低端第二辐射零点相似，不同的是，在低端第二辐射零点处第二水平金属条带对15工作在第一奇模，而在高端第二辐射零点处工作在第二奇模。
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体实例对本发明的上述技术方案进行详细说明。
将如图1-3所示的滤波端射天线进行仿真，仿真结果如图4所示，从图4中可以看出，其中心频率为3.6GHz，10-dB匹配带宽范围为3.27-3.98GHz，即相对带宽为19.7％。在1.6GHz处反射系数小于-9dB，增益小于-10dB，在4.7GHz处反射系数小于-5dB，增益小于-9dB，实现了带外特定频带的吸收功能。增益响应曲线存在4个辐射零点，分别对应1.4GHz、2.4GHz、4.5GHz、5.2GHZ，频带内增益范围为4.25-5.27dBi。
图5-图6为3.4GHz和3.8GHz处的天线仿真方向图。从图5中可以看出，3.4GHz处E面和H面的3-dB波束宽度范围分别为108.34°和123.39°，E面和H面的交叉极化水平较低。从图6中可以看出，3.8GHz处E面和H面的3-dBB波束宽度范围分别为110.05°和118.71°，E面和H面的交叉极化水平较低。本案例采用的基板是Rogers RO4003C，辐射体及滤波吸收结构整体在端射方向的尺寸为0.132λ0。
由此可见，借助于本发明的上述技术方案，通过在平面准入木天线的辐射体部分引入金属条带及电阻，实现了双模对应的双频吸收特性及其双模电流与驱动器及引向器电流的混合抵消增加辐射零点，形成具有多辐射零点、带外特定频带无反射的平面滤波端射天线，并且整体端射方向尺寸较小。而阶梯型金属结构采用上端窄下端宽的形状，上接第一水平金属条带对，下接共面耦合线，避免了改变辐射体的辐射阻抗及等效辐射长度，达到较好的过渡效果。而第二水平金属条带对每条通过电阻与共面耦合馈线相连，可实现带外高低频处的无反射功能；第二水平金属条带对与第一水平金属条带对的间距满足了辐射零点所需要的相位关系。而水平金属条带和第一水平金属条带对之间保持了良好的匹配，可调控带宽及控制频率高端两个辐射零点的位置。共面耦合线作为馈线及阻抗匹配结构，内侧与第一水平金属条带对和阶梯型金属结构平齐，保证了良好的匹配，并减小了非连续性结构带来的寄生效应。
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)
1.一种滤波端射天线，包括金属顶层(1)、介质层(2)以及金属底层(3)，其中，所述介质层(2)连接于所述金属顶层(1)与所述金属底层(3)之间，其特征在于，所述金属顶层(1)上设置有水平金属带(11)、第一水平金属条带对(12)、阶梯型金属结构(13)、共面耦合线(14)、第二水平金属条带对(15)、电阻(16)以及耦合微带线(17)；
其中，所述水平金属带(11)位于所述金属顶层(1)的天线端射方向最前端；所述第一水平金属条带对(12)位于所述水平金属带(11)下方；
所述阶梯型金属结构(13)具有两个，且分别与所述第一水平金属条带对(12)中的金属条带连接，且所述阶梯型金属结构(13)的下方连接有共面耦合线(14)，所述共面耦合线(14)的下方连接有耦合微带线(17)；
所述第二水平金属条带对(15)中的金属条带分别位于所述共面耦合线(14)的两侧，且每个金属条带与对应的共面耦合线(14)之间连接有所述电阻(16)。
2.根据权利要求1所述的一种滤波端射天线，其特征在于，所述水平金属条带(11)的水平方向长度在0.34λ0～0.38λ0。
3.根据权利要求1所述的一种滤波端射天线，其特征在于，所述第一水平金属条带对(12)的每条金属条带的水平方向长度为0.21λ0～0.23λ0，且每条金属条带与所述水平金属条带(11)之间的间距为0.022λ0～0.026λ0。
4.根据权利要求1所述的一种滤波端射天线，其特征在于，所述阶梯型金属结构(13)为上窄下宽结构，且所述阶梯型金属结构(13)上下分别与第一水平金属条带对(12)、共面耦合线(14)靠里侧对齐连接。
5.根据权利要求1所述的一种滤波端射天线，其特征在于，所述共面耦合线(14)的长度为0.070λ0～0.074λ0，对应阻抗为128Ohm～132Ohm。
6.根据权利要求1所述的一种滤波端射天线，其特征在于，所述第二水平金属条带对(15)的每条金属条带的水平方向长度为0.46λ0～0.48λ0。
7.根据权利要求1所述的一种滤波端射天线，其特征在于，所述第二水平金属条带对(15)与所述第一水平金属条带对(12)之间的间距为0.06λ0～0.08λ0；所述第二水平金属条带对(15)与所述金属底层(3)之间的间距为0.010λ0～0.014λ0。
8.根据权利要求1所述的一种滤波端射天线，其特征在于，所述电阻(16)的阻值为50Ohm。
9.根据权利要求1所述的一种滤波端射天线，其特征在于，所述耦合微带线(17)长度为0.22λ0～0.26λ0，对应阻抗为100Ohm。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的一种滤波端射天线，其特征在于，所述滤波端射天线为左右对称式结构。
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