CN117559128A - 应用在ism频段的宽带全向滤波天线 - Google Patents
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Abstract
应用在ISM频段的宽带全向滤波天线，包括基板及其上方的三种半波长偶极子金属贴片和下方的金属谐振环；所述半波长偶极子金属贴片由三个半波长金属贴片组成，分别为线形半波长偶极子贴片、带凹槽的线形半波长偶极子贴片和U形半波长偶极子贴片。通过利用三个半波长金属贴片的电磁耦合关系来扩宽带宽和实现滤波功能，基板下方谐振环用于进一步加强滤波功能。本发明工作在ISM频段的宽带全向滤波天线具有良好的辐射性能和滤波性能，在通带内传输插损低、辐射效率高、增益平稳、辐射方向图保持良好、在通带外辐射抑制性能强，在微波无线通信系统中具有重要应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及无源器件中宽频天线技术领域，尤其涉及应用在ISM频段的宽带全向滤波天线。
背景技术
ISM频段是工业、科学以及医疗等领域使用最为广泛的无线电频率。由于它的开放性与统一性，许多无线电系统，如Wi-Fi，蓝牙，Zigbee和RFID等，也选择在ISM频段内运行。ISM频段的主要面临解决的问题是干扰。由于这些频段可供任何设备使用，因此会有多个设备同时在相同的频段内进行发射，从而引起相互干扰。因此，许多无线通信系统都需要采用一些技术来处理这种干扰，如在天线前端增加滤波器，将信号进行滤波处理后再进行发射，可以有效减少通信系统间的干扰。
然而除了干扰问题外，目前的天线技术在满足高性能和多频段应用的需求方面也存在一些问题。现有的天线通常在特定频段内具有较好的性能，但在多频段应用中常常存在性能不佳的问题。现有的天线系统通常需要多个天线来满足不同频段的需求，这增加了系统设计和实施的复杂性，同时也增加了成本。其次，由于天线在不同频段上的辐射特性不同，因此在频带切换时可能会出现信号衰减或辐射方向变化的问题。此外，通信系统往往会受到来自其他频段的干扰信号的影响，这可能会导致通信质量下降。
全向天线是一种广泛应用于无线通信领域的天线类型，它可以接收和发送多个方向的无线信号。与定向天线相比，全向天线的主要优势在于其广泛的覆盖范围，使其成为许多应用场景的理想选择，例如家庭无线网络、移动通信基站和无线传感器网络等。随着无线通信技术的不断发展和创新，全向天线将继续在实现更高性能、更多样化的应用场景中发挥关键作用。
因此，现有技术中对于全向宽带滤波天线的需求日益增长。这种天线能够在多频段应用中具有良好的全向辐射特性和带外辐射的高抑制性。然而，目前尚缺乏一种简化系统设计和实施复杂性的解决方案，以实现宽带滤波功能，并提高频带覆盖能力和抗干扰性能。因此，有必要设计一种新的全向宽带滤波天线，以满足多频段应用中的需求，并解决现有技术中存在的问题和不足。
传统的滤波天线通常将天线作为滤波器的最后一级，将通过滤波器的信号辐射出去，相当于滤波器与天线进行级联，这种方式制作出的滤波天线通常伴有尺寸过大的问题。近来，许多工作利用寄生单元加入到天线设计中，进而引入辐射零点来达到滤波的作用，相比于滤波器与天线级联，该方案可以很好地减小天线尺寸，此外在天线的馈电网络中使用非辐射元件仍可以实现滤波。但这两种加入额外单元来实现滤波的方案仍会增加天线尺寸。因此有必要提供新的方案，在不额外增添天线尺寸的情况下，使得天线尽可能获得更宽的带宽，更稳定的辐射性能。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种在可工作在ISM频段具备宽通带、带外抑制水平高和辐射性能稳定的紧凑的全向宽带天线。通过利用三个半波长偶极子贴片的电磁耦合关系来扩宽带宽和实现滤波功能，基板下方谐振环用于进一步加强滤波功能。本发明工作在ISM频段的宽带全向滤波天线具有良好的辐射性能和滤波性能，在通带内传输插损低、辐射效率高、增益平稳、辐射方向图保持良好、在通带外辐射抑制性能强，在微波无线通信系统中具有重要应用前景。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
应用在ISM频段的宽带全向滤波天线，包括基板和金属层，所述金属层分别位于基板的上下两侧，上侧的金属层设有三种半波长偶极子贴片，下侧的金属层设有谐振环；
所述三种半波长偶极子贴片包括依次设置的U形半波长偶极子贴片、线形半波长偶极子贴片和带凹槽的线形半波长偶极子贴片，且线形半波长偶极子贴片置于U形半波长偶极子贴片内；所述带凹槽的线形半波长偶极子贴片的中间设有长方形空缺，用于馈电；所述长方形空缺的两侧分别设有凹槽，用于调节天线阻抗匹配，且凹槽开口方向朝向线形半波长偶极子贴片；所述谐振环的位置与带凹槽的线形半波长偶极子贴片的位置相对。
所述U形半波长偶极子贴片包括主体、主臂和副臂；主臂方向垂直于主体，两个主臂与主体两端相连，副臂方向与主体方向一致，两个副臂分别连接在两主臂上。
所述三种半波长偶极子贴片、基板和C形谐振环的伸展方向一致，以达到减小器件长度和拓宽频带宽度的目的与滤波特性。
所述谐振环为C形谐振环，C形的开口方向与带凹槽的线形半波长偶极子贴片的凹槽开口方向一致。
所述三种半波长偶极子贴片，相邻的半波长偶极子贴片间距为0.4～0.9mm。
所述三种半波长偶极子贴片的长度为所在工作频率的半波长，带凹槽的线形半波长偶极子贴片的长度为62～62.5mm，线形半波长偶极子贴片的长度为44～46mm，U形半波长偶极子贴片的长度为其主体长度、两个主臂和两个副臂长度之和为88～88.5mm。
所述带凹槽的线形半波长偶极子贴片的线宽为3.2mm，线形半波长偶极子贴片的线宽为7.9mm，U形半波长偶极子贴片的线宽度为1mm。
所述的带凹槽线形半波长偶极子贴片中间设有的长方形空缺，该长方形空缺长F为4mm，宽W2为3.2mm，该结构用于馈电，将馈线焊接于该空缺两端的半波长线形偶极子贴片上。长方形空缺的两侧分别设有长方形凹槽，该凹槽深度G2为3.1mm，宽度G1为1.5mm，用于调节天线阻抗匹配。
所述U形半波长偶极子贴片与带凹槽的线形半波长偶极子贴片将线形半波长偶极子贴片包围住，这种结构可以有效减小器件宽度与调节三种半波长偶极子贴片的相对位置关系。
相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：
(1)本发明提出的应用在ISM频段的宽带全向滤波天线具有宽范围频带。
(2)本发明提出的应用在ISM频段的宽带全向滤波天线采用柔性基板，通过弯曲变形，能够用于共形传输微波电磁波。
(3)本发明提出的应用在ISM频段的宽带全向滤波天线所使用三种细长形的不同形状偶极子贴片，利用电磁耦合原理在不增加器件长度的情况下，达到宽频带天线的作用，同时增加了滤波特性对通带外信号有很好的抑制特性。
(4)本发明提出的应用在ISM频段的宽带全向滤波天线形能优异，在工作频带内S11低于-10dB，工作频带外S11大于-0.5dB，带内可实现增益2.35dBi～4.55dBi，符合现代无线通信系统的性能要求。
(5)本发明提出的应用在ISM频段的宽带全向滤波天线辐射特性，主要取决于半波长偶极子贴片的长度和相邻半波长偶极子贴片之间的间距以及谐振环的相应敏感参数，人工设计方便、灵活，通过尺度变换，调整敏感参数，来改变辐射性能与工作频带。
(6)本发明提出的应用在ISM频段的宽带全向滤波天线属于扁平化结构，可与各种微波功分器、滤波器等无源及有源电路、器件甚至组件或系统。
附图说明
图1为实施例1的应用在ISM频段的宽带全向滤波天线的结构示意图；
图2为实施例1的应用在ISM频段的宽带全向滤波天线的低频零点调谐曲线；
图3为实施例1的应用在ISM频段的宽带全向滤波天线的高频零点调谐曲线；
图4为实施例1的应用在ISM频段的宽带全向滤波天线的S参数曲线；
图5为实施例1的应用在ISM频段的宽带全向滤波天线的可实现增益曲线图；
图6为实施例1的应用在ISM频段的宽带全向滤波天线的效率曲线图；
图7为实施例1的应用在ISM频段的宽带全向滤波天线的辐射方向图。
附图标记：1、基板；2、U形半波长偶极子贴片；3、线形半波长偶极子贴片；4、带凹槽的线形半波长偶极子贴片；5、谐振环。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。
实施例1
图1中(a)为本发明的俯视结构示意图，(b)为仰视结构示意，本实施例1中提出的一种应用在ISM频段的宽带全向滤波天线，包括柔性的基板1及其上方的U形半波长偶极子贴片2、线形半波长偶极子贴片3、带凹槽的线形半波长偶极子贴片4，基板1的材料选取Rogers RT5880，介电常数为2.2，厚度为0.508mm，传输损耗角为0.0009。谐振环5在基板1的另一侧，与带凹槽的线形半波长偶极子4相对设置。带凹槽的线形半波长偶极子贴片4关于中心两侧对称，中间设有的长方形空缺用于馈电，长方形空缺的两侧设有凹槽用于调节天线匹配情况，本实施例的整体结构轴对称设置。
U形半波长偶极子贴片2由长度为L1的主体与长度为L6的主臂，长度为L3的副臂组成，宽度为W1，U形半波长偶极子贴片2的相关参数为L1＝62.4mm，L3＝3.1mm，L6＝9.9mm，W1＝1mm。
线形半波长偶极子贴片3由长度为L2宽度为W4的长方形贴片构成，相关参数为L2＝45mm，W4＝7.9mm。
带凹槽的线形半波长偶极子贴片4，由长度为L1宽度W2的长方形贴片在中心位置与两侧挖取凹槽组成，中心的长方形空缺长度为F宽度为W2，用于馈电，两侧凹槽的宽度为G2长度为G1，两侧凹槽距离中心凹槽距离一致，相关参数为F＝4mm，W2＝3.2mm，G1＝1.5mm，G2＝3.1mm。
谐振环5由长度为L5的主体，长度为L7的主臂和长度为L4的副臂组成，宽度为W3，相关参数为L4＝5mm，L5＝25.5mm，L7＝2.4mm，W3＝0.3mm。
U形半波长偶极子贴片2与线形半波长偶极子贴片3之间距离为S2，带凹槽的线形半波长偶极子贴片4与线形半波长偶极子贴片3之间距离为S1，相关参数为S1＝0.9mm，S2＝0.6mm。
上述三种半波长偶极子贴片和谐振环均为金属，材料为铜。
实施例1的仿真结果如图2与图3所示，通过改变U形半波长偶极子贴片2与线形半波长偶极子贴片3之间的间距S2，从而改变半波长偶极子贴片之间的电磁耦合关系，半波长偶极子的两端容易发生电耦合，中心部分则容易发生磁耦合。交叉耦合理论指出，电耦合通常会在通带的低频处引入传输零点，而磁耦合通常会在通带的高频处引入传输零点。从图2可知，本实施例1可通过调节S2来控制低频处零点的位置，调节L7的长度即控制谐振环的长度，来改变高频的传输零点，本实施例中的零点具有可调谐的功能。
由图4仿真结果可知，本实施例中的应用在ISM频段的宽带全向滤波天线通带范围为1.61GHz至2.64GHz，带宽为1.03GHz，相对带宽为48.47％，通带内反射系数低于-13dB。在图5仿真结果中，实施例1通带内可实现增益从2.35dBi至4.55dBi，分别在1.46GHz与2.74GHz引入一个低频零点与一个高频零点，带外可实现增益均小于-13dBi。天线效率如图6所示，通带内天线效率高于90％，通带外天线效率小于10％，具有良好的滤波特性。图7为实施例1在ISM频段的三个工作点下辐射方向图，可知实施例1在ISM频段具有良好的全向型与辐射方向图的稳定性。
本发明提出的应用在ISM频段的宽带全向滤波天线通过利用三种半波长偶极子贴片之间的电磁耦合关系，来引入低频辐射频点，并且利用谐振环来引入高频零点达到滤波目的；通过调整谐振环的长度，与不同半波长偶极子贴片的尺寸与相互距离可以改变器件的工作频带与辐射零点的位置，能够用于微波、毫米波频段的信号传输。
Claims (9)
1.应用在ISM频段的宽带全向滤波天线，其特征在于：包括基板和金属层，所述金属层分别位于基板的上下两侧，上侧的金属层设有三种半波长偶极子贴片，下侧的金属层设有谐振环；
所述三种半波长偶极子贴片包括依次设置的U形半波长偶极子贴片、线形半波长偶极子贴片和带凹槽的线形半波长偶极子贴片，且线形半波长偶极子贴片置于U形半波长偶极子贴片内；所述带凹槽的线形半波长偶极子贴片的中间设有长方形空缺，用于馈电；所述长方形空缺的两侧分别设有凹槽，用于调节天线阻抗匹配，且凹槽开口方向朝向线形半波长偶极子贴片；所述谐振环的位置与带凹槽的线形半波长偶极子贴片的位置相对。
2.如权利要求1所述的应用在ISM频段的宽带全向滤波天线，其特征在于：所述U形半波长偶极子贴片包括主体、主臂和副臂；主臂方向垂直于主体，两个主臂与主体两端相连，副臂方向与主体方向一致，两个副臂分别连接在两主臂上。
3.如权利要求1所述的应用在ISM频段的宽带全向滤波天线，其特征在于：所述三种半波长偶极子贴片、基板和C形谐振环的伸展方向一致。
4.如权利要求1所述的应用在ISM频段的宽带全向滤波天线，其特征在于：所述谐振环为C形谐振环，C形的开口方向与带凹槽的线形半波长偶极子贴片的凹槽开口方向一致。
5.如权利要求1所述的应用在ISM频段的宽带全向滤波天线，其特征在于：所述三种半波长偶极子贴片，相邻的半波长偶极子贴片间距均为0.4～0.9mm。
6.如权利要求1所述的应用在ISM频段的宽带全向滤波天线，其特征在于：所述三种半波长偶极子贴片的长度为所在工作频率的半波长，带凹槽的线形半波长偶极子贴片的长度为62～62.5mm，线形半波长偶极子贴片的长度为44～46mm，U形半波长偶极子贴片的长度为其主体长度、两个主臂和两个副臂长度之和为88～88.5mm。
7.如权利要求1所述的应用在ISM频段的宽带全向滤波天线，其特征在于：所述带凹槽的线形半波长偶极子贴片的线宽为3.2mm，线形半波长偶极子贴片的线宽为7.9mm，U形半波长偶极子贴片的线宽度为1mm。
8.如权利要求1所述的应用在ISM频段的宽带全向滤波天线，其特征在于：所述长方形空缺的长度为4mm，宽度为3.2mm。
9.如权利要求1所述的应用在ISM频段的宽带全向滤波天线，其特征在于：所述凹槽的宽度为1.5mm，深度为3.1mm。
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