CN117691351B - 一种加载串行配置滤波条带的宽带滤波圆极化天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种加载串行配置滤波条带的宽带滤波圆极化天线，属于天线技术领域，天线由上至下包括上层介质基板、中间接地平面和下层介质基板，还包括依次连接的辐射结构、滤波结构和馈电网络；串行配置的滤波结构包括顺次连接的输入匹配段、通带调节条带和输出匹配段，输入匹配段、输出匹配段上均连接有下阻带滤波条带和上阻带滤波条带。本发明引入串行配置的滤波条带，形成良好带外辐射抑制水平的宽带滤波圆极化天线，结构简单，利于天线集成化设计；通过调节上/下阻带滤波条带、中间通带调节条带的长度、宽度进而灵活控制阻带、通带，能够很好适应不同带宽的圆极化天线的滤波设计，从而增加圆极化天线的抗干扰性。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种加载串行配置滤波条带的宽带滤波圆极化天线。
背景技术
随着无线通讯技术的发展，宽带圆极化天线由于其本身具有抗多径衰落和干扰、高带宽以及发射机与接收机之间灵活定向等优点而广泛应用于多种场景，在复杂辐射干扰应用环境中，避免天线工作频带外的干扰非常重要，这能够提升通讯系统稳定性。宽带滤波圆极化天线集成圆极化天线和滤波功能为一体，实现宽带圆极化辐射基础上，还能够提高天线抗干扰能力，同时还能减小射频前端尺寸。为了实现圆极化天线的滤波功能，一般通过级联滤波器的方式进行滤波处理，但这不利于天线集成设计，并且滤波器的级联将导致插损升高，不利于天线有效辐射。目前常见的宽带滤波圆极化天线设计方法有在馈电网络集成滤波结构同天线进行集成设计、将天线作为最后一阶谐振器进行协同设计和在辐射结构引入缝隙、寄生等结构构造辐射零点进行设计。一现有文献提出通过在馈电网络中集成开口谐振环在T形功分移相器两个输出端口以实现天线在3.73GHz-4.27GHz以外频段的辐射抑制。另一现有文献提出通过在天线馈电网络中引入两对折叠耦合线谐振器以产生4.84GHz和5.27GHz两个辐射零点。还有其他现有文献通过在层叠的上下贴片处蚀刻U形槽获得了2.29GHz、4.75GHz以及5.29GHz三个辐射零点，实现天线良好带外辐射抑制特性。
目前的滤波圆极化天线，一般是通过在辐射结构上开槽、馈电上级联滤波器实现天线带外辐射抑制特性。由于在辐射结构上进行滤波设计实现的带外抑制水平较低，而馈电上级联滤波器往往不利于天线集成设计，级联还会导致插损升高，不利于天线有效辐射，此外对于天线带宽扩展也有局限性，难以满足如今高速高带宽通信的需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的问题，提供一种加载串行配置滤波条带的宽带滤波圆极化天线。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种加载串行配置滤波条带的宽带滤波圆极化天线，该天线由上至下包括上层介质基板、中间接地平面和下层介质基板，上层介质基板的上层覆金属层形成有辐射结构，下层介质基板的上层覆金属层为中间接地平面，下层介质基板的下层覆金属层形成有互联的滤波结构和馈电网络，滤波结构与辐射结构连接；
串行配置的滤波结构包括顺次连接的输入匹配段、通带调节条带和输出匹配段，输入匹配段、输出匹配段上均连接有下阻带滤波条带和上阻带滤波条带。
在一示例中，所述输入匹配段、输出匹配段上连接的下阻带滤波条带、上阻带滤波条带分别呈中心对称分布，下阻带滤波条带尺寸大于上阻带滤波条带，下阻带滤波条带、上阻带滤波条带均呈“η”型且阻带能够调节。
在一示例中，所述输入匹配段、输出匹配段上连接的下阻带滤波条带、上阻带滤波条带均为各自阻带频率对应的λg/4长度条带弯折后形成“η”型条带。
在一示例中，所述输入匹配段、通带调节条带、输出匹配段、“η”型下阻带滤波条带和上阻带滤波条带均为微带线结构。
在一示例中，所述辐射结构包括辐射片，辐射片上设有实现天线圆极化特性的凹槽，且辐射片周围设有寄生辐射条带。
在一示例中，所述辐射片上设有两个凹槽，两个凹槽在辐射片上呈中心对称分布；辐射片周围设有两个寄生辐射条带，且两个寄生辐射条带呈中心对称分布。
在一示例中，所述馈电网络包括顺次连接的功分器、移相器，移相器与输入匹配段连接。
在一示例中，所述功分器为一分二或一分四功分器，移相器包括相位差依次相差π/2的多段微带线。
在一示例中，所述功分器为内部集成隔离电阻的威尔金森功分器，威尔金森功分器的输入段与输出段之间经微带线连接。
需要进一步说明的是，上述各示例对应的技术特征可以相互组合或替换构成新的技术方案。
与现有技术相比，本发明有益效果是：
1.在一示例中，本发明引入串行配置的滤波条带，形成良好带外辐射抑制水平的宽带滤波圆极化天线，该滤波结构仅由阻带滤波条带、通带调节条带、输入匹配段和输出匹配段简单几条微带线条带串行配置而成，阻带滤波条带的弯曲设计有效减小滤波结构尺寸，与其他滤波结构相比结构更简单，并且与馈网、辐射结构能够很好匹配，有利于天线集成化设计；同时，通过调节阻带滤波条带、中间通带调节条带的长度、宽度进而能够灵活控制阻带、通带，能够很好适应不同带宽的圆极化天线的滤波设计，与馈网的结合不仅拓宽了工作带宽，还增加圆极化天线的抗干扰性，更好适用于如今辐射干扰日益上升的复杂应用环境，具有很高的应用价值。
2.在一示例中，通过在圆状辐射贴片上对凹槽位置尺寸进行设计实现圆极化辐射特性，并在圆状辐射贴片周围设计有紧挨的条带，该条带为圆状辐射贴片的寄生结构能够有效降低中心频率处轴比，并在此基础上使用馈电网络进行馈电实现天线的宽带圆极化性能。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明一示例提供的天线结构示意图；
图2为本发明一示例提供的滤波结构示意图；
图3为本发明一示例提供的滤波结构与馈电网络连接示意图；
图4为本发明一示例提供的辐射结构连接示意图；
图5为本发明优选示例提供的天线反射系数|S11|与实际增益仿真结果图；
图6为本发明优选示例提供的天线轴比仿真结果图；
图7为本发明对优选示例中天线的滤波结构尺寸参数进行调节后的天线轴比与实际增益仿真结果图；
图8为本发明对优选示例天线的滤波结构尺寸参数进行调节后的反射系数|S11|仿真结果图。
图中：1-辐射结构、3-中间接地层、4-馈电网络、5-滤波结构、6-辐射片、7-寄生条带、8-上层介质基板、9-功分器、10-隔离电阻、11-移相器、12-下层介质基板、13-输入匹配段、14-下阻带滤波条带、15-上阻带滤波条带、16-通带调节条带、17-输出匹配段。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，使用序数词 (例如，“第一和第二”、“第一至第四”等 )是为了对物体进行区分，并不限于该顺序，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
在一示例中，如图1所示，一种加载串行配置滤波条带的宽带滤波圆极化天线，由上至下依次包括上层介质基板8、中间接地层3和下层介质基板12，上层介质基板8材质为FR4，相对介电常数4.4，介质损耗为0.02，尺寸为110mm*60mm*1.6mm；下层介质基板12材质为Rogers RT5880，相对介电常数2.2，介质损耗为0.0009，尺寸为110mm*60mm*1.6mm。
上层介质基板8（辐射介质板）的上层覆金属层形成有辐射结构1，下层介质基板12的上层覆金属层为中间接地层3，下层介质基板12的下层覆金属层形成有串行配置的滤波结构5和馈电网络4，滤波结构5经馈电探针与辐射结构1连接。可选地，覆金属层优选为覆铜层，当然也可以为其他类型金属层。具体地，馈电探针一端与辐射结构1连接，并从上至下依次穿过上层介质基板8、中间接地层3与下层介质基板12的下层覆金属层中的滤波结构输出端连接，中间接地层3对应进行了开孔设计，避免馈电探针短接。
进一步地，滤波结构5包括顺次连接的输入匹配段13、通带调节条带16和输出匹配段17，馈电网络4与输入匹配段13连接，输入匹配段13、输出匹配段17上均连接有下阻带滤波条带和上阻带滤波条带，用于实现阻带滤波调节。
本发明从馈电网络的输出端引入串行配置的滤波条带，形成具有良好带外辐射抑制水平的宽带滤波圆极化天线，该滤波结构仅由阻带滤波条带（下阻带滤波条带和上阻带滤波条带）、通带调节条带、输入匹配段和输出匹配段简单几条微带线条带串行配置而成，条带的弯曲设计有效减小滤波结构尺寸，与其他滤波结构相比结构更简单，并且与馈电网络、辐射结构能够很好匹配，有利于天线集成化设计。
与一般耦合配置的滤波结构不同的是，本发明串行配置的滤波结构不是通过调整复杂的耦合参数等来调整滤波特性，而是通过简单调节阻带条带与中间通带调节条带的长度与宽度灵活控制阻带与通带，能够很好适应不同带宽的圆极化天线的滤波设计，从而增加圆极化天线的抗干扰性，能够更好适用于如今辐射干扰日益上升的复杂应用环境，具有很高的应用价值。
同时，本发明天线能够通过调节阻带滤波条带长度调整对应辐射零点频率，约为阻带中心频率1/4波长的长度，其可以等效为对应频率的LC串行谐振器，可以很轻松产生传输零点，阻带的调谐方式比其他滤波结构更简单，如现有开口谐振环滤波结构实现宽带带通滤波特性，其不仅要考虑自身谐振环开口处耦合效应，还要考虑不同谐振环之间的耦合参数。进一步地，本发明中间通带调节条带为感抗元件，设计时考虑其等效电感来调整长度与宽度，其等效电感增大，则传输极点靠近，带宽变窄。
更进一步地，本发明天线通带调谐范围为两个辐射零点对应频率之间，由于辐射零点的可控制性，调谐范围也非常灵活，可以根据具体应用场景进行调整，与其他滤波天线相比，如与将天线作为最后一阶谐振器相比，本发明滤波结构相对独立出来，无需考虑复杂的设计原则，设计更为简单快捷。
在一示例中，如图2所示，输入匹配段13、输出匹配段17上的下阻带滤波条带14、上阻带滤波条带15均呈“η”型结构，且下阻带滤波条带14尺寸大于上阻带滤波条带15尺寸，上阻带滤波条带15靠近通带调节条带16设置，当然上阻带滤波条带15、下阻带滤波条带14位置能够互换，即也可以使下阻带滤波条带14靠近通带调节条带16设置。优选地，输入匹配段13、通带调节条带16、输出匹配段17、上阻带滤波条带15、下阻带滤波条带14均为微带线结构。可选地，如图2所示，下阻带滤波条带14、上阻带滤波条带15分别向输入匹配段13方向和输出匹配段17弯折。本示例中下阻带滤波条带14中竖直条带部分向输入匹配段13的输入端的方向延伸，上阻带滤波条带15中竖直条带部分向输出匹配段17的输出端方向延伸。
本示例中，下阻带滤波条带14以及上阻带滤波条带15均弯折，减小了条带占用空间；条带弯曲方向相反能够减小下阻带与上阻带条带之间不必要的耦合；中间通带调节条带不附加任何额外结构，便于独立调谐通带；两组条带异侧中心对称分布可以更大程度上利用空间，减小整体尺寸，并且通过异侧对称分布方式更大程度上避免两组条带耦合对整体滤波效果不利的影响。
在一示例中，与滤波结构5连接的馈电网络如图3所示，该馈电网络4包括顺次连接的功分器9、移相器11，移相器11与输入匹配段13连接。进一步地，功分器为一分二或一分多功分器，当功分器为一分二或一分四功分器时，对应地，移相器包括相位差依次相差90°的多段微带线。当功分器为一分二功功分器时，本示例优选为等功率的威尔金森功分器，此时移相器为π/2移相器。进一步地，如图3所示，一分二等功率功分器9内集成有隔离电阻10，具体隔离电阻10跨接在一分二等功率功分器9两个输出端口之间，一分二等功率功分器9的输入段与输出段之间经圆形微带线结构连接；对应地，此时移相器包括相位相差π/2的两段微带线，两段微带线分别与动力功分器9的两路输出连接，此时移相器对应连接有两个滤波结构，两个滤波结构分别通过馈电探针穿过两个基板与两个辐射结构连接。
在一示例中，辐射结构1包括辐射片6，辐射片6上设有实现天线圆极化特性的凹槽，辐射片6形状优选为圆形，凹槽优选为方形槽；进一步地，圆状辐射片6周围设有为弧形的寄生条带7，优选带方形槽圆状辐射片6与寄生条带7之间的间距为1mm，且寄生条带7并未遮挡圆状辐射片6的矩形槽。进一步地，如图4所示，圆形辐射片6上设有两个方形槽，两个方形槽在圆状辐射片6上中心对称分布，并且凹槽和馈电点、圆状辐射贴片中心点连线夹角为58°；紧挨在圆状辐射片6周围的寄生条带7中心和馈电点、圆状辐射片6中心点连线之间夹角为45°，同样的紧挨在圆状辐射贴片周围的寄生条带7以圆状辐射片6中心点呈中心对称分布。本示例通过在辐射贴片上蚀刻方形槽以实现圆极化特性，并在周围添加为寄生结构的寄生条带能够有效降低中心频率处轴比，并在此基础上使用馈电网络进行馈电实现天线的宽带圆极化性能。
将上述示例进行组合得到本发明的优选示例如图1所示，此时该天线由上至下包括上层介质基板8、中间接地层3和下层介质基板12，中间接地层3为下层介质基板12的上层覆金属层；该天线还包括辐射结构1、串行配置的滤波结构5和馈电网络4；
辐射结构1包括两个圆状辐射片6，各圆状辐射片6边缘设有两个呈中心对称分布的方形槽，且各圆形辐射片6周围设有两个呈中心对称分布的寄生条带7，带方形槽圆状辐射片6与寄生条带7为上层介质基板8的上层覆金属层，带方形槽圆状辐射片6经馈电探针与滤波器中的输出匹配段17连接。
滤波结构5包括顺次连接的输入匹配段13、通带调节条带16和输出匹配段17，输入匹配段13、输出匹配段17上连接有结构相同的下阻带滤波条带14以及上阻带滤波条带15，下阻带滤波条带14尺寸大于上阻带滤波条带15尺寸，且上阻带滤波条带15靠近通带调节条带16设。更为具体的，下阻带滤波条带14、上阻带滤波条带15分别向输入匹配段13方向和输出匹配段17方向弯折，下阻带滤波条带14中竖直条带部分（三条子条带中的中间子条带）向输入匹配段13的输入端的方向延伸，上阻带滤波条带15中竖直条带部分向输出匹配段17的输出端方向延伸。输入匹配段13、下阻带滤波条带14、上阻带滤波条带15、通带调节条带16以及输出匹配段17均为微带线结构。输入匹配段13、下阻带滤波条带14、上阻带滤波条带15、通带调节条带16以及输出匹配段17为下层介质基板12的下层覆金属层。
馈电网络4包括集成有隔离电阻10的一分二等功率功分器9和π/2移相器11，一分二等功率功分器9与π/2移相器11连接，π/2移相器11与输入匹配段13连接，一分二等功率功分器9与π/2移相器11为下层介质基板12的下层覆金属层。
该天线通过同轴线进行馈电，同轴线内导体与一分二等功率功分器9输入端相连，同轴线外导体与中间接地层3相连接。
本发明通过在上层介质基板8上方辐射贴片上蚀刻方形槽，周围添加为寄生结构的弧形条带，使用馈电网络4进行馈电，并在天线馈电网络4输出端引入串行配置的滤波条带，形成具有带通滤波特性的宽带滤波圆极化天线。此串行配置的滤波条带，不仅能实现良好的带外抑制，还易于通过简单调整条带长度与宽度来调整通带，能够很好适应不同带宽的圆极化天线的滤波设计，从而增加圆极化天线的抗干扰性，更好适用于如今辐射干扰日益上升的复杂应用环境。
为说明本发明天线性能，现给出仿真测量分析结果。具体地，对本发明天线进行仿真，其中反射系数|S11|与实际增益（Realized Gain）如图5所示，|S11|在-10dB以下的频带范围为2.81GHz-4.14GHz，符合宽带工作要求；上阻带的辐射抑制水平达到25dB以上，下阻带的辐射水平抑制达到30dB以上，具有良好的带外抑制能力。同时，如图6所示，天线轴比（Axial ratio）在2.8GHz-4.06GHz的频段范围内小于3dB，天线圆极化性能优异。
此外为了验证滤波结构5的对阻带与通带的灵活控制，在简单调节阻带微带线条带（下阻带滤波条带、上阻带滤波条带）与中间通带调节条带16的长度与宽度后，进行仿真测试后，其轴比与实际增益如图7所示，天线轴比在3.16GHz-3.79GHz的频段范围内小于3dB，上阻带的辐射抑制水平达到25dB以上，下阻带的辐射水平抑制也依然达到30dB以上，并且可以看到轴比小于3dB的带宽与通带高度重合。如图8所示，|S11|在-10dB以下的频带范围为2.91GHz-4.02GHz。
以上具体实施方式是对本发明的详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种加载串行配置滤波条带的宽带滤波圆极化天线，其特征在于：所述天线由上至下包括上层介质基板、中间接地平面和下层介质基板，上层介质基板的上层覆金属层形成有辐射结构，下层介质基板的上层覆金属层为中间接地平面，下层介质基板的下层覆金属层形成有互联的滤波结构和馈电网络，滤波结构与辐射结构连接；
串行配置的滤波结构包括顺次连接的输入匹配段、通带调节条带和输出匹配段，输入匹配段、输出匹配段上均连接有下阻带滤波条带和上阻带滤波条带，通带调节条带为感抗元件；在天线馈电网络输出端引入串行配置的滤波条带，形成具有带通滤波特性的宽带滤波圆极化天线；
所述输入匹配段、输出匹配段上连接的下阻带滤波条带、上阻带滤波条带分别呈中心对称分布，下阻带滤波条带尺寸大于上阻带滤波条带，下阻带滤波条带、上阻带滤波条带均呈“η”型且阻带能够调节；
所述输入匹配段、通带调节条带、输出匹配段、下阻带滤波条带和上阻带滤波条带均为微带线结构。
2.根据权利要求1所述的加载串行配置滤波条带的宽带滤波圆极化天线，其特征在于：所述输入匹配段、输出匹配段上连接的下阻带滤波条带、上阻带滤波条带均为各自阻带频率对应的λg/4长度条带弯折后形成“η”型条带。
3.根据权利要求1所述的加载串行配置滤波条带的宽带滤波圆极化天线，其特征在于：所述辐射结构包括辐射片，辐射片上设有实现天线圆极化特性的凹槽，且辐射片周围设有寄生辐射条带。
4.根据权利要求3所述的加载串行配置滤波条带的宽带滤波圆极化天线，其特征在于：所述辐射片上设有两个凹槽，两个凹槽在辐射片上呈中心对称分布；辐射片周围设有两个寄生辐射条带，且两个寄生辐射条带呈中心对称分布。
5.根据权利要求1所述的加载串行配置滤波条带的宽带滤波圆极化天线，其特征在于：所述馈电网络包括顺次连接的功分器、移相器，移相器与输入匹配段连接。
6.根据权利要求5所述的加载串行配置滤波条带的宽带滤波圆极化天线，其特征在于：所述功分器为一分二或一分四功分器，移相器包括相位差依次相差π/2的多段微带线。
7.根据权利要求5所述的加载串行配置滤波条带的宽带滤波圆极化天线，其特征在于：所述功分器为内部集成隔离电阻的威尔金森功分器，威尔金森功分器的输入段与输出段之间经微带线连接。
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