CN117543193A - 一种去耦合滤波天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种去耦合滤波天线，通过在结构简单的第一基板的基础上，加载由第二基板、辐射贴片和第一短接柱等结构形成的上层辐射体，从而能够以仅有两层基板的简单结构，实现具有双带和良好滤波功能的毫米波天线；由于去耦合滤波天线仅包含两层介质基板及其相关部件，因此具有结构简单、成本低、易加工、易维护等优点；通过设置去耦结构，可以实现不同的滤波天线单元之间的去耦，从而获得良好的方向图和效率等性能；去耦合滤波天线容易制作成对称的结构，从而降低方向图的畸变。本发明应用于天线技术领域。

Description

一种去耦合滤波天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其是一种去耦合滤波天线。

背景技术

随着无线数据流量的爆炸性增长，低频频谱资源日益紧张，向高频段发展是5G通信的必然趋势。目前，有多个频段被计划用于5G通信，分为24.25–29.5GHz和37–43.5GHz。天线是接收和发送无线电波的基本装置，为发射机或接收机与传播无线电波的媒质之间提供所需要的耦合。滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过而极大衰减其他频率成分，可以消除通信中的噪声干扰。两者都是通信系统中的重要无源器件，但是两者的简单级联一般会带来一定的插入损耗，影响系统辐射效率。因此，在2002年滤波天线的概念被具体提出，它同时集成了滤波器和天线的功能，消除了两者级联带来的插入损耗并且一定程度上提高了系统的集成度，具有很高的实际应用价值。为了提升频谱利用效率，提高信道容量，在毫米波滤波天线上使用多进多出(MIMO)技术十分有必要。现有的毫米波滤波MIMO天线主要存在以下问题：由于较小的单元间距，天线单元产生之间会产生相互耦合，从而导致方向图、效率等性能恶化。具体而言，单元之间的端口间隔离度较低，导致通信的准确性和能量利用效率低；单元间距的电尺寸接近一个波长，单元间距大，空间利用率低；部分天线单元在结构上未处于地板的中心位置并且辐射时也会受到临近单元的干扰，从而导致最大辐射方向的偏移，并且使方向图发生较大畸变。

术语解释：

天线：在无线电设备中，用来辐射和接收无线电波的装置。

滤波天线：集成了滤波器功能的天线，它可以在接收或发射信号的同时实现对特定频率范围内信号的滤波处理。这种天线可以在无线通信系统中起到信号选择和抑制干扰的作用，提高了系统的性能和可靠性。

基片集成波导技术：英文名为Substrate Integrated Waveguide，简称SIW，是一种新的微波传输线形式，利用金属通孔在介质基片上实现波导的场传播模式。

多输入多输出技术：英文名为Multiple Input Multiple Output，简称MIMO，通过在发送端和接收端都使用多跟天线，收发之间构成多个信道的天线系统，能充分利用空间资源并极大地提高频谱利用效率。

发明内容

针对目前的毫米波滤波MIMO天线存在的因耦合而导致性能恶化等技术问题，本发明的目的在于提供一种去耦合滤波天线。

本发明实施例包括一种去耦合滤波天线，所述去耦合滤波天线包括：

两个滤波天线单元；两个所述滤波天线单元沿E面进行组合。

若干个去耦结构；所述去耦结构设置在两个所述滤波天线单元之间，或者设置在所述滤波天线单元周边。

进一步地，所述滤波天线单元包括：

第一基板；

第二基板；所述第二基板的一面与所述第一基板的一面贴合。

进一步地，所述去耦结构为π形去耦结构或者L形去耦结构。

进一步地，所述π形去耦结构包括一对穿通所述第二基板的第二短接柱，以及连接所述第二短接柱的长方形金属条带；所述长方形金属条带位于所述第二基板的另一面。

进一步地，所述L形去耦结构包括一对穿通所述第二基板的第二短接柱，以及两段不相连的圆头金属条带，其中一段所述圆头金属条带与其中一个所述第二短接柱连接，另一段所述圆头金属条带与另一个所述第二短接柱连接连接，所述圆头金属条带位于所述第二基板的另一面。

进一步地，所述第一基板为单层SIW缝隙天线。

进一步地，所述第一基板包括：

覆铜层；所述覆铜层设置在所述第一基板的一面；

辐射缝隙；所述辐射缝隙由所述覆铜层形成；

SIW腔体；所述SIW腔体包括若干金属化过孔，各所述金属化过孔穿通所述第一基板，设置于所述辐射缝隙的周边并形成一个矩形区域。

进一步地，所述第一基板还包括：

馈电探针；所述馈电探针穿通所述第一基板，所述馈电探针作为所述第一基板的馈电点。

进一步地，所述第二基板包括辐射贴片，所述辐射贴片刻蚀出H形缝隙

进一步地，所述H形缝隙包括腹缝隙、第一翼缘缝隙、第二翼缘缝隙、第三翼缘缝隙和第四翼缘缝隙；其中，所述第一翼缘缝隙和所述第二翼缘缝隙与所述腹缝隙的一端连接，所述第三翼缘缝隙和所述第四翼缘缝隙与所述腹缝隙的另一端连接；

所述腹缝隙与所述辐射缝隙平行。

所述若干个第一短接柱包括第一短接柱、第二短接柱、第三短接柱和第四短接柱；

所述第一短接柱和所述第二短接柱连接所述辐射贴片的第一部分，所述第三短接柱和所述第四短接柱连接所述辐射贴片的第二部分；其中，所述辐射贴片的第一部分为位于所述第一翼缘缝隙和所述第二翼缘缝隙一侧的部分，所述辐射贴片的第二部分为位于所述第三翼缘缝隙和所述第四翼缘缝隙一侧的部分。

进一步地，所述去耦合滤波天线是加入了π形去耦结构和L形去耦结构的滤波天线单元沿E面组成的两单元线阵。

本发明的有益效果是：实施例中加入去耦结构的的滤波天线仅有两层基板，因此具有结构简单、成本低、易加工、易维护等优点；通过调整去耦结构，可以实现很高的端口隔离度，从而提高通信的准确性和能量利用效率；去耦结构关于组阵面对称，可以很好的保持最大辐射方向补偿方向图凹陷，此外还能降低交叉极化。

附图说明

图1为实施例中去耦合滤波天线的结构示意图；

图2为实施例中滤波天线单元的爆炸视图；

图3为图2所示的去耦合滤波天线的部分的侧截面图；

图4为实施例中多种去耦结构设置情况的滤波天线俯视图；

图5为实施例中H形缝隙的结构示意图；

图6为实施例中去耦合滤波天线的S参数与增益图；

图7为实施例中π形去耦结构和L形去耦结构的结构示意图；

图8为实施例中对三种天线仿真的S参数图；

图9为实施例中对三种天线仿真的在28GHz的辐射方向图。

具体实施方式

本实施例中，在加入去耦合结构前，去耦合滤波天线的结构如图1所示。参照图1，去耦合滤波天线包括两个结构相同的滤波天线单元，两个滤波天线单元沿E面进行组合，从而形成一个由两个滤波天线单元沿E面组成的两单元线阵。

本实施例中，两个滤波天线单元的结构是相同的。以其中一个滤波天线单元为例，其爆炸图如图2所示。参照图2，滤波天线单元包括第一基板和第二基板，其中，第二基板的一面与第一基板的一面贴合。第二基板的一面(即图2中第二基板朝下的那一面)与多零点谐振器的辐射体所在的那一面贴合，第二基板的另一面(即图2中第二基板朝上的那一面)设有辐射贴片，辐射贴片刻蚀出H形缝隙。具体地，可以使用铜等金属材质，在第二基板上制作辐射贴片，然后在辐射贴片上刻蚀出H形缝隙。

本实施例中，参照图2，第一基板的一面(即图3中第一基板朝上的那一面，也是图2中第一基板与第二基板相对的那一面)设有覆铜层，覆铜层上刻蚀出一条槽，从而形成辐射缝隙。第一基板还设有多个金属化过孔，各个金属化过孔穿通第一基板，围绕着辐射缝隙的周边并形成一个矩形区域，从而形成一个SIW腔体。

本实施例中，由于第一基板具有图2所示的结构，因此第一基板形成一个单层SIW缝隙天线。参照图2，第一基板还设有馈电探针。馈电探针穿通第一基板，馈电探针的一端与覆铜层连接，另一端延伸到第一基板的另一面(即图2中第一基板朝下的那一面)，以馈电探针作为单层SIW缝隙天线的馈电点。

本实施例中，两个滤波天线单元组合在一起的结构的剖面图如图3所示。参照图3，两个滤波天线单元各自的第二基板可以连为一体，同理两个滤波天线单元各自的第一基板也可以连为一体。参照图3，每个滤波天线单元中，除了包括辐射贴片外，还包括若干个第一短接柱。参照图3，第一短接柱穿通第二基板，每个第一短接柱的一端与辐射贴片连接，另一端与第二基板的另一面连接。

本实施例中，图4为从图2所示的去耦合滤波天线的上方，向去耦合滤波天线看过去的示意图，其中，“天线1”为假设滤波天线没有设置任何去耦结构的情况，“天线2”为假设滤波天线的两个滤波天线单元之间设置了一个π形去耦结构的情况，“天线3”为假设滤波天线的两个滤波天线单元之间设置了一个π形去耦结构、其中一个滤波天线单元与第二基板的边缘之间设置了一个L形去耦结构而且另一个滤波天线单元与第二基板的边缘之间设置了一个L形去耦结构的情况。

本实施例中，由于设置了两个滤波天线单元，因此去耦合滤波天线可以实现1×2MIMO功能。

本实施例中，可以使用带有探针的SMA连接器与馈电柱连接，SMA连接器可以设置在第一基板的另一面(即图3中第一基板朝下的那一面)，由SMA连接器接受馈电信号。

本实施例中，,第一基板为厚度为0.787mm的Rogers 5880基板，相对介电常数为2.2，尺寸为11.2mm×9.6mm。通过带有金属探针的SMA连接器进行馈电，其中金属探针的直径为0.6mm，金属探针与最接近的第一基板的边缘的间距为4.85mm。辐射缝隙作为辐射体，辐射缝隙的尺寸为4.1mm×0.8mm，辐射缝隙的中心与最接近的第一基板的边缘的间距为2.95mm。第一基板中的金属化过孔的直径为1.2mm，各金属化过孔在第一基板的边缘密排，相邻的两个金属化过孔的孔间中心距为1.6mm。

本实施例中，第二基板与第一基板具有相同的材质、相同的介电常数以及相同的尺寸，例如，可以使用相对介电常数为2.2、厚度为0.787mm、尺寸为11.2mm×9.6mm的Rogers5880基板作为第二基板。

本实施例中，第二基板上的辐射贴片所设的H形缝隙的结构如图5所示。参照图5，H形缝隙是一个形如字母“H”的缝隙，包括腹缝隙、第一翼缘缝隙、第二翼缘缝隙、第三翼缘缝隙和第四翼缘缝隙等部分。其中，腹缝隙作为“H”中的横杠部分，第一翼缘缝隙和第二翼缘缝隙与腹缝隙的一端连接，作为“H”中左侧的部分，第三翼缘缝隙和第四翼缘缝隙与腹缝隙的另一端连接，作为“H”中右侧的部分。参照图2，当组装好之后，H形缝隙中的腹缝隙与第一基板中的辐射缝隙平行。

本实施例中，参照图5，H形缝隙将辐射贴片分为四部分，其中最左侧的部分为第一部分，最右侧的部分为第二部分。第二基板上设有第一短接柱、第二短接柱、第三短接柱和第四短接柱等4个第一短接柱。第一短接柱和第二短接柱连接辐射贴片的第一部分，第三短接柱和第四短接柱连接辐射贴片的第二部分。

本实施例中，滤波天线单元的工作原理在于：参照图2，天线单元由位于下方的第一基板以及位于上方的第二基板等结构组成，天线单元的S参数与增益图如图6所示；参照图6，第一基板和上层辐射体各提供一个谐振点，其中第一基板的谐振来自于上表面的缝隙，上层辐射体的谐振来自于辐射贴片；由SMA连接器馈电的第一基板可以产生第一、第三辐射零点，上层辐射体可以产生第二辐射零点。其中，第一辐射零点的产生机理是：当接入SMA连接器等外部连接器，第一基板中的SIW腔体将被SMA连接器中的探针分为两个部分，当腔体边缘与探针的间距接近腔内电磁波波长的一半时，电磁波主要集中在同轴探头针和SIW腔体边缘之间，能量很难从缝隙中辐射出去，因此形成第一辐射零点；第二辐射零点的产生是由于上层辐射体的辐射抵消作用，上层辐射体刻蚀出的H形缝隙使贴片上的耦合电流异向，从而导致了天顶方向的辐射抵消；第三辐射零点的产生机制是由于第一基板中的SIW腔体可以视为边缘短路，在第一基板中具有最大电流，在33.8GHz下，在距离短边四分之一波长处会有一个最小电流位置，当辐射缝隙设计在这个最小电流位置时，在相应的频率上可以辐射的能量很少，从而产生第三辐射零点。

参照图6，去耦合滤波天线的带内增益为8dBi，两个阻带的带外抑制水平分别大于17db和27db，达到良好的水平。

本实施例中的滤波天线单元，仅包含第一层基板和第二层辐射体，能够以两层基板的简单结构，实现具有良好滤波功能和稳定增益的毫米波天线；由于去耦合滤波天线仅包含两层介质基板及其相关部件，因此具有结构简单、成本低、易加工、易维护等优点；由于使用了SMA连接器馈电的SIW腔体，因此去耦合滤波天线具有足够的辐射零点，保证了天线的带外抑制程度和滚降和频率选择特性。

本实施例中，任一去耦结构具体可以是图8中所示的π形去耦结构或者L形去耦结构。

参照图7，π形去耦结构包括一对穿通第二基板的第二短接柱，以及连接第二短接柱的长方形金属条带。其中，长方形金属条带位于第二基板的另一面(即图2中第二基板朝上的那一面)。

参照图7，L形去耦结构包括一对穿通第二基板的第二短接柱，以及两段圆头金属条带，这两段圆头金属条带之间不相连。其中一段圆头金属条带与其中一个第二短接柱连接，另一段圆头金属条带与另一个第二短接柱连接连接。其中，两段圆头金属条带都位于第二基板的另一面(即图2中第二基板朝上的那一面)。

对图4所示的天线1、天线2和天线3这三种天线进行仿真测试，所得到的S参数图如图8所示，所得到的三种天线在28GHz的辐射方向图如图9所示。通过图8和图9可以发现，当没有加入任何去耦结构(即天线1这样的结构)时，端口隔离度只能达到15dB左右；在加入π形结构(即天线2这样的结构)后，隔离度提升到了17.5dB，并且在方向图的30°位置由组阵引起的凹陷得到了很好的补偿；在天线2的基础上加入L形结构后，天线3的端口隔离度超过了20dB，去耦结构将端口输入的大部分能量都限制在激励单元，相邻单元基本不会受到激励单元的影响。此外，L形去耦结构的加入很大程度上降低了天线的交叉极化。

通过图8和图9可知，通过加入去耦结构，可以在不增大天线体积的情况下实现不同的滤波天线单元之间的去耦，从而获得良好的方向图和效率等性能。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本实施例所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实施例说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本实施例所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本实施例所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本实施例描述的过程的操作，除非本实施例另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本实施例描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文步骤的指令或程序时，本实施例的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。

计算机程序能够应用于输入数据以执行本实施例的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

以上，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (9)

1.一种去耦合滤波天线，其特征在于，所述去耦合滤波天线包括：

两个滤波天线单元；两个所述滤波天线单元沿E面进行组合；

若干个去耦结构；所述去耦结构设置在两个所述滤波天线单元之间，或者设置在所述滤波天线单元周边。

2.根据权利要求1所述的去耦合滤波天线，其特征在于，所述滤波天线单元包括：

第一基板；

第二基板；所述第二基板的一面与所述第一基板的一面贴合。

3.根据权利要求1所述的去耦合滤波天线，其特征在于，所述去耦结构为π形去耦结构或者L形去耦结构。

4.根据权利要求1-3任一项所述的去耦合滤波天线，其特征在于：

所述π形去耦结构包括一对穿通所述第二基板的第二短接柱，以及连接所述第二短接柱的长方形金属条带；所述长方形金属条带位于所述第二基板的另一面；

所述L形去耦结构包括一对穿通所述第二基板的第二短接柱，以及两段不相连的圆头金属条带，其中一段所述圆头金属条带与其中一个所述第二短接柱连接，另一段所述圆头金属条带与另一个所述第二短接柱连接连接，所述圆头金属条带位于所述第二基板的另一面。

5.根据权利要求2-4任一项所述的去耦合滤波天线，其特征在于，所述第一基板为单层SIW缝隙天线。

6.根据权利要求5所述的去耦合滤波天线，其特征在于，所述第一基板包括：

覆铜层；所述覆铜层设置在所述第一基板的一面；

辐射缝隙；所述辐射缝隙由所述覆铜层形成；

SIW腔体；所述SIW腔体包括若干金属化过孔，各所述金属化过孔穿通所述第一基板，设置于所述辐射缝隙的周边并形成一个矩形区域。

7.根据权利要求5所述的去耦合滤波天线，其特征在于，所述第一基板还包括：

馈电探针；所述馈电探针穿通所述第一基板，所述馈电探针作为所述第一基板的馈电点。

8.根据权利要求2-4任一项所述的去耦合滤波天线，其特征在于，所述第二基板包括：

辐射贴片；辐射贴片位于第二基板另一面，中心与所述辐射缝隙一致并刻蚀了H形缝隙；

H形缝隙；包括腹缝隙、第一翼缘缝隙、第二翼缘缝隙、第三翼缘缝隙和第四翼缘缝隙；其中，所述第一翼缘缝隙和所述第二翼缘缝隙与所述腹缝隙的一端连接，所述第三翼缘缝隙和所述第四翼缘缝隙与所述腹缝隙的另一端连接；

所述腹缝隙与所述辐射缝隙平行；

所述若干个第一短接柱包括第一短接柱、第二短接柱、第三短接柱和第四短接柱；

所述第一短接柱和所述第二短接柱连接所述辐射贴片的第一部分，所述第三短接柱和所述第四短接柱连接所述辐射贴片的第二部分；其中，所述辐射贴片的第一部分为位于所述第一翼缘缝隙和所述第二翼缘缝隙一侧的部分，所述辐射贴片的第二部分为位于所述第三翼缘缝隙和所述第四翼缘缝隙一侧的部分。

9.根据权利要求1所述的去耦合滤波天线，其特征在于：

所述去耦合滤波天线是加入了π形去耦结构和L形去耦结构的滤波天线单元沿E面组成的两单元线阵。