CN117199792A - 具有一致极化和相似辐射方向图的差分馈电三频滤波天线 - Google Patents
具有一致极化和相似辐射方向图的差分馈电三频滤波天线 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种具有一致极化和相似辐射方向图的差分馈电三频滤波天线，属于5G通信设备的射频器件领域，包括介质基板、主辐射贴片、4个寄生辐射贴片、馈电电缆、接地板；主辐射贴片由镜像对称的两个驱动贴片构成，在两个驱动贴片上相邻的一端上设有交错排列的开路枝节，从而形成交指耦合结构；且在每个驱动贴片上设有一个开口环槽、一排短路过孔以及一对共生的开路枝节；4个寄生辐射贴片为L形，分布在主辐射贴片四角，寄生辐射贴片上设有过孔；馈电电缆包括由同轴电缆供电的两个端口，它们以等幅但相反相位的方式激励，以实现差分馈电；馈电电缆穿过接地板、介质基板和过孔后与主辐射贴片连接。
Description
技术领域
本发明属于5G通信设备的射频器件领域，涉及一种具有一致极化和相似辐射方向图的差分馈电三频滤波天线。
背景技术
随着互联网多媒体的发展，终端设备越来越多，对通讯的质量提出更多的要求，为了满足更多的接入数量，天线在之前的基础上不断增加新的频段，根据无线通讯标准，移动通讯系统频段包含了2/3/4/5G、蓝牙、WLAN等，而不同通讯频段的出现必然会产生多个频段的利用率的问题。无线通讯设备通常集成多个系统，因而天线也需要包含多个频段协同工作，但是多个天线系统不仅会增加空间，而且天线间会产生耦合和干扰。
多频段天线可以将多个工作频段集成到单个模块中，从而减小射频前端的尺寸，在每个频段都具有一致极化和相似辐射性能特征的多频段天线，在基站或无线接入点系统的规划阶段，一般可避免增加系统的复杂性。一方面，差分馈电天线相对于单端馈电天线来说，其更容易与广泛使用的差分电路和系统集成，具有高共模噪声抑制、更好的极化分辨率和对称辐射图。然而很少有研究采用差分馈电激励的多频段天线。另一方面，将滤波性能集成在天线中将能进一步达到简化电路设计降低系统损耗的目的。因此，非常需要使多频段天线同时具有差分和滤波特性，这样的系统将极大地减少处理组件的数量以及任何射频前端或后端的性能压力。然而，目前差分馈电多频滤波天线很少被报道，更不用提及在每个工作频段均具有一致的极化和相似的辐射方向图。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种单层差分馈电三频滤波天线，该天线在每个频段都具有一致的极化和相似的宽边辐射特性。它由一个主辐射贴片和四个寄生辐射贴片组成。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种具有一致极化和相似辐射方向图的差分馈电三频滤波天线，包括介质基板，在所述介质基板上设有主辐射贴片、4个寄生辐射贴片和馈电电缆，在所述介质基板下方设有接地板；
所述主辐射贴片由镜像对称的两个驱动贴片构成，在两个驱动贴片上相邻的一端上设有交错排列的开路枝节，从而形成交指耦合结构；且在每个驱动贴片上设有一个开口环槽、一排短路过孔以及一对共生的开路枝节；
所述的4个寄生辐射贴片为L形，分布在主辐射贴片四角，所述寄生辐射贴片上设有过孔；
所述馈电电缆包括由同轴电缆供电的两个端口，它们以等幅但相反相位的方式激励，以实现差分馈电；所述馈电电缆穿过接地板、介质基板和过孔后与主辐射贴片连接。
进一步，所述主辐射贴片、寄生辐射贴片、接地板的厚度均为0.010mm～0.025mm的金属铜。
进一步，所述金属主辐射贴片交错排列部分即交指结构的插入长度L2为1.7mm～2.7mm，插入部分的宽W2为0.1mm～1.4mm，插入部分与驱动贴片之间的间距G2为0.15mm～0.45mm，插入部分之间的间距G3为0.17mm～0.97mm；且馈电点到驱动贴片边缘的距离L1为9.5mm～10.5mm，驱动贴片馈电点边缘距G1为0.4mm～1.4mm，两馈电点中心距D1为1.3mm～2.3mm；驱动贴片两端四分之一波长共生开路枝节向外延伸长L3为3.9mm～4.9mm和宽W3为0.7mm～1.7mm，枝节长L4为4.0mm～5.0mm和宽W4为0.1mm～1.1mm；驱动贴片蚀刻的开口环形槽长S1为13.9mm～14.9mm，开口环形槽的较短边长S3为1.7mm～2.7mm，宽W6为0.1mm～0.3mm，开口环形槽与驱动贴片交指结构距离Sx为7.5mm～8.5mm；驱动贴片上短路柱之间的间距D2为2.18mm～3.18mm，驱动贴片短路柱与馈电孔的距离D3为2.7mm～3.7mm。
进一步，所述L形金属寄生辐射贴片的长L5为13.8mm，L6为7.5mm和宽W5为3.6mm；寄生辐射贴片到驱动贴片的距离G4为0.5mm；寄生辐射贴片上金属化过孔之间的间距D5为0.6mm～1.6mm过孔的直径D6为0.3mm～1.3mm。
进一步，所述介质基板的厚度H为3mm～4mm；其相对介电常数εr在3～4之间，损耗角正切为0.0035。
本发明的有益效果在于：(1)通过在驱动贴片上引入交指结构，不仅没有严重牺牲天线的结构指标和性能，而且能够降低天线的TM1,0,TM1,2,TM1,4,和反相TM2,0四种谐振模式的工作频率，从而实现天线的小型化。(2)在每个驱动贴片上引入一对开路四分之一波长共生枝节，能够进一步降低天线TM1,2,TM1,4模的工作频率，进一步实现天线的小型化；同时能够引入一个辐射零点来提升滤波性能。(3)通过在驱动贴片上引入一排短路过孔能够和引入开口环槽能够拓展天线的阻抗带宽和提升滤波性能，且由于差分馈电的采用，还表现出高交叉极化辨别力和高共模抑制水平。该天线形式简单、结构紧凑、易于集成，可使其应用于移动/便携式路由设备中，如将移动运营商的5G信号转换为用户设备通常需要的WIFI信号，且具有价格低廉、易于大规模批量生产的优势。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1是本发明所述具有一致极化和相似宽边辐射特性的单层差分馈电三频滤波天线的整体示意图；
图2是本发明所述具有一致极化和相似宽边辐射特性的单层差分馈电三频滤波天线的金属主辐射贴片结构图；
图3是本发明所述具有一致极化和相似宽边辐射特性的单层差分馈电三频滤波天线的金属寄生辐射贴片结构图；
图4是本发明所述具有一致极化和相似宽边辐射特性的单层差分馈电三频滤波天线的侧视图；
图5是本发明所述具有一致极化和相似宽边辐射特性的单层差分馈电三频滤波天线在差分信号激励下频率与反射系数|Sdd11|和可实现增益(Realized gain)之间的关系图；
图6是本发明所述具有一致极化和相似宽边辐射特性的单层差分馈电三频滤波天线在共模信号激励下频率与反射系数|Scc11|和可实现增益(Realized gain)之间的关系图；
图7是本发明所述具有一致极化和相似宽边辐射特性的单层差分馈电三频滤波天线在低频通带中心频点处的可实现增益二维辐射方向图；
图8是本发明所述具有一致极化和相似宽边辐射特性的单层差分馈电三频滤波天线在中频通带中心频点处的可实现增益二维辐射方向图；
图9是本发明所述具有一致极化和相似宽边辐射特性的单层差分馈电三频滤波天线在高频通带中心频点处的可实现增益二维辐射方向图；
其中：1-金属主辐射贴片、2-金属寄生辐射贴片、3-接地板、4-过孔、5-交指耦合结构、6-介质基板、7-开口环槽、8-开路枝节、9-同轴电缆、10-屏蔽层。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图4，一种具有一致极化和相似宽边辐射特性的单层差分馈电三频滤波天线，包括金属主辐射贴片1、金属寄生辐射贴片2、介质基板6、接地板3和馈电电缆，金属主辐射贴片1为由近似镜像对称的两个金属驱动贴片构成，这两个驱动贴片上伸出的开路枝节形成了交指耦合结构5；每个驱动贴片包含一个开口环槽7和一排短路过孔4以及一对共生的开路枝节。金属寄生辐射贴片2为L型，且在金属寄生辐射贴片2上设置有过孔4；介质基板6为单层结构，接地板3设置在介质基板6的正下方；馈电电缆包括由50Ω同轴电缆9供电的两个端口，它们以等幅但相反相位的方式激励，以实现所需的差分馈电。通过馈线连接端口，馈线上端裸露的内芯线穿过接地板3、介质基板6、过孔4后与金属主辐射贴片1连接。馈线包括内芯线和屏蔽层10。
在本实施例中，金属主辐射贴片1、金属寄生辐射贴片2、接地板3的厚度均为0.018mm。
金属主辐射贴片1的相邻部分为交指耦合结构5。金属主辐射贴片1交错排列部分即交指耦合结构5的插入长度L2为2.2mm，插入部分的宽W2为0.6mm，插入部分与驱动贴片之间的间距G2为0.25mm，插入部分之间的间距G3为0.57mm；且馈电点到驱动贴片边缘的距离L1为10.0mm，驱动贴片馈电点边缘距G1为0.9mm，两馈电点中心距D1为1.8mm；驱动贴片两端四分之一波长共生开路枝节向外延伸长L3为4.4mm和宽W3为1.2mm，枝节长L4为4.5mm和宽W4为0.6mm；驱动贴片蚀刻的开口环形槽长S1为14.4mm，开口环形槽的较短边长S3为2.2mm，宽W6为0.2mm，开口环形槽与驱动贴片交指耦合结构5距离Sx为8.0mm；驱动贴片上短路柱之间的间距D2为2.68mm，驱动贴片短路柱与馈电孔的距离D3为3.2mm。
在本实施例中，金属寄生辐射贴片2的长L5为13.8mm，L6为7.5mm和宽W5为3.6mm；金属寄生辐射贴片2到驱动贴片的距离G4为0.5mm，金属寄生辐射贴片2与开路共生枝节的距离D4为3.08mm。
在本实施例中，介质基板的厚度H为3.8mm；其相对介电常数εr为3.55，损耗角正切约0.0035mm。
在具体实施中，辐射金属贴片由两个大的矩形金属片，通过在相邻一侧引入交指结构且沿着x和-x方向上延伸，在每个驱动贴片上引入一对开路四分之一波长共生枝节，且在每个驱动贴片上蚀刻一个开口环形槽。其中驱动贴片在x和-x方向上延伸所形成的交指结构的作用是降低TM1,0,TM1,2,TM1,4,和反相TM2,0四种谐振模式的工作频率；驱动贴片上开口环槽是为了拓展频带宽度以及提升滤波性能；驱动贴片两端引入共生开路枝节提高了中频的选择性以及中频和高频之间的隔离水平。寄生部分为一设置了过孔4的金属寄生辐射贴片2，设置过孔的作用是实现四分之一波长半模谐振工作；天线的构型相对于X轴和Y轴几乎完全对称，该举措的目的是使天线实现高共模抑制水平。
介质基板6的厚度为3.8mm的RO4003板材，其介电常数εr＝3.55，损耗角正切δ＝0.0035。其他参数：Lg＝70.0mm。
参照图5可见天线在差分信号激励下，其具有低频为2.4-2.487GHz，中频为3.72-3.93GHz，高频为5.57-5.88GHz频率范围的-10dB阻抗带宽，且可实现增益曲线展现出其有良好的频率选择特性和带外抑制能力。参照图6可见天线在共模信号激励下，其反射系数|Scc11|接近于0，即共模信号几乎被全反射了，可实现增益也非常低，这表明该天线具有良好的共模抑制能力。
参照图7～图9，可见该天线具有良好、稳定的辐射性能。在三个频段上都展示了具有一致X极化的稳定、单向宽边辐射性能。需要提及的是，大多数报道的三频天线都是通过堆叠辐射贴片实现的，很难在具有简单、低成本的单层结构中实现。通过以上结果可见，本发明天线具有良好的滤波响应，在所有三个频段中具有急剧的滚降率和高带外抑制水平。此外，由于采用差分馈电，它实现了出色的共模抑制和低交叉极化水平。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种具有一致极化和相似辐射方向图的差分馈电三频滤波天线，其特征在于：包括介质基板，在所述介质基板上设有主辐射贴片、4个寄生辐射贴片和馈电电缆，在所述介质基板下方设有接地板；
所述主辐射贴片由镜像对称的两个驱动贴片构成，在两个驱动贴片上相邻的一端上设有交错排列的开路枝节，从而形成交指耦合结构；且在每个驱动贴片上设有一个开口环槽、一排短路过孔以及一对共生的开路枝节；
所述的4个寄生辐射贴片为L形，分布在主辐射贴片四角，所述寄生辐射贴片上设有过孔；
所述馈电电缆包括由同轴电缆供电的两个端口，它们以等幅但相反相位的方式激励，以实现差分馈电；所述馈电电缆穿过接地板、介质基板和过孔后与主辐射贴片连接。
2.根据权利要求1所述的具有一致极化和相似辐射方向图的差分馈电三频滤波天线，其特征在于：所述主辐射贴片、寄生辐射贴片、接地板的厚度均为0.010mm～0.025mm的金属铜。
3.根据权利要求1所述的具有一致极化和相似辐射方向图的差分馈电三频滤波天线，其特征在于：所述金属主辐射贴片交错排列部分即交指结构的插入长度L2为1.7mm～2.7mm，插入部分的宽W2为0.1mm～1.4mm，插入部分与驱动贴片之间的间距G2为0.15mm～0.45mm，插入部分之间的间距G3为0.17mm～0.97mm；且馈电点到驱动贴片边缘的距离L1为9.5mm～10.5mm，驱动贴片馈电点边缘距G1为0.4mm～1.4mm，两馈电点中心距D1为1.3mm～2.3mm；驱动贴片两端四分之一波长共生开路枝节向外延伸长L3为3.9mm～4.9mm和宽W3为0.7mm～1.7mm，枝节长L4为4.0mm～5.0mm和宽W4为0.1mm～1.1mm；驱动贴片蚀刻的开口环形槽长S1为13.9mm～14.9mm，开口环形槽的较短边长S3为1.7mm～2.7mm，宽W6为0.1mm～0.3mm，开口环形槽与驱动贴片交指结构距离Sx为7.5mm～8.5mm；驱动贴片上短路柱之间的间距D2为2.18mm～3.18mm，驱动贴片短路柱与馈电孔的距离D3为2.7mm～3.7mm。
4.根据权利要求1所述的具有一致极化和相似辐射方向图的差分馈电三频滤波天线，其特征在于：所述L形金属寄生辐射贴片的长L5为13.8mm，L6为7.5mm和宽W5为3.6mm；寄生辐射贴片到驱动贴片的距离G4为0.5mm；寄生辐射贴片上金属化过孔之间的间距D5为0.6mm～1.6mm过孔的直径D6为0.3mm～1.3mm。
5.根据权利要求1所述的具有一致极化和相似辐射方向图的差分馈电三频滤波天线，其特征在于：所述介质基板的厚度H为3mm～4mm；其相对介电常数εr在3～4之间，损耗角正切为0.0035。
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| CN117578068B (zh) * | 2024-01-15 | 2024-05-07 | 广东工业大学 | 具有高频率选择性的磁电偶极子滤波天线 |
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