CN207368216U - 基于多模谐振器滤波天线阵列 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于多模谐振器滤波天线阵列，该滤波天线阵列包括四个相同的对称放置的双层堆叠微带贴片天线和一个带有一分四的功率分配网络，所述的双层堆叠微带贴片天线包括第一微带贴片天线和第二微带贴片天线，所述的一分四的功率分配网络包括阻抗变换微带线、反相功率分配微带线、抽头耦合微带线、枝节加载的双模谐振器和同相功率分配T型微带线。本实用新型设计了一个即具有滤波、又具有功率分配功能的滤波功率分配网络，双层堆叠的微带贴片天线作为滤波网络的最后一阶，提高了滤波阶数，同时边沿选择性得到了提升。同时，天线的结构比较紧凑，增益高，滤波特性好。

Description

基于多模谐振器滤波天线阵列

技术领域

本实用新型涉及移动通信技术领域，具体涉及一种基于多模谐振器滤波天线阵列。

背景技术

天馈系统是无线通信系统的最前端，是无线通信系统不可缺少的关键部件。天馈系统包括天线、滤波器和双工器，传统方法是三者单独设计，然后用射频电缆进行连接。缺点是三者都需要独自的匹配网络与50欧姆馈线进行匹配，带来体积大、总量重的问题，同时，过多的匹配网络带来了损耗大的缺点。

随着无线通信的发展，通信系统越来越趋向于小型化和集成化，因此，一体化的天馈系统具有极大的需求。滤波天线将天线和滤波器联合进行设计，能够使得射频前端系统的结构更加紧凑，减少不必要的损耗引入，使得通信系统的小型化和集成化更加容易实现。

在现有的技术中，滤波天线的设计主要是把天线和滤波器级联设计，它们之间连接端口阻抗不再是设计为50欧姆，而是设计成一个最佳的阻抗。而且天线的带宽较滤波器的带宽要宽，再用滤波器滤出所要的频段。这样的设计会带来边缘频率选择性的恶化，不利于通信。

因此，滤波天线的一体化和集成化设计，滤波网络也是功率分配网络，把天线辐射单元设计成滤波器的最后一阶，提高频率选择性和扩展带宽，是很有必要的。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于多模谐振器滤波天线阵列。

本实用新型的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于多模谐振器滤波天线阵列，包括上层介质基板9和下层介质基板10，上层介质基板9的上表面印刷有由四个相同的对称放置的第一微带贴片天线1，下层介质基板10的上表面印刷有由四个相同的对称放置的第二微带贴片天线2和一个带有一分四的滤波功能的功率分配网络3，其下表面印刷有反射地板11，所述的第一微带贴片天线1和所述的第二微带贴片天线2上下堆叠设置构成双层堆叠微带贴片天线，其中所述的第一微带贴片天线1为寄生贴片，所述的第二微带贴片天线2为驱动贴片，所述的第一微带贴片天线1包括第一寄生贴片12、第二寄生贴片13、第三寄生贴片14和第四寄生贴片15，所述的第二微带贴片天线2包括第一驱动贴片16、第二驱动贴片17、第三驱动贴片18和第四驱动贴片19；

所述的带有一分四的滤波功能的功率分配网络3的一端与端口相连，另一端与所述的第二微带贴片天线2相连。

进一步地，所述的带有一分四的滤波功能的功率分配网络3包括第一阻抗变换线7、第二阻抗变换线30、第三阻抗变换线31、第四阻抗变换线32、反相功率分配微带线4、抽头耦合微带线8、枝节加载的双模谐振器5和同相功率分配T型微带线6；所述的第一阻抗变换线7包括第五阻抗变换线33、第六阻抗变换线34、第七阻抗变换线35、第八阻抗变换线36，所述的反相功率分配微带线4包括第一反相功率分配微带线22、第二反相功率分配微带线23，所述的抽头耦合微带线8包括第一抽头耦合微带线28、第二抽头耦合微带线29，所述的枝节加载的双模谐振器5包括第一双模谐振器20、第二双模谐振器21，其中，所述的第一双模谐振器由U型的第一开路线24、加载在U型的第一开路线24凹槽段的第二开路线25组成，所述的第二双模谐振器由U型的第三开路线26、加载在U型的第三开路线26凹槽段的第四开路线27组成。

进一步地，所述的第一反相功率分配微带线22和所述的第二反相功率分配微带线23分别与第五阻抗变换线33、第七阻抗变换线35和第六阻抗变换线34、第八阻抗变换线36相连，所述的第一抽头耦合微带线28和所述的第二抽头耦合微带线29的一端分别与所述的第一反相功率分配微带线22和所述的第二反相功率分配微带线23相连，而所述的第一抽头耦合微带线28和所述的第二抽头耦合微带线29的另一端分别与所述的第一双模谐振器20的第一开路线24、所述的第二双模谐振器21的第三开路线26相连；

所述的第一开路线24、所述的第三开路线26和所述的同相功率分配T型微带线6之间存在耦合间隙，所述的同相功率分配T型微带线6与所述的第二阻抗变换线30的一端相连，所述的第二阻抗变换线30的另一端与所述的第三阻抗变换线31的一端相连，所述的第三阻抗变换线31的另一端与所述的第四阻抗变换线32的一端相连，所述的第四阻抗变换线32另一端与激励端口相连；

所述的同相功率分配T型微带线6设置在所述的第一开路线24和所述的第三开路线26的一侧，所述的同相功率分配T型微带线6和所述的第一开路线24以及所述的第三开路线26之间存在耦合间隙，所述的第一双模谐振器20和所述的第二双模谐振器21与所述的同相功率分配T型微带线6通过缝隙耦合馈电；所述的第一双模谐振器20和所述的第二双模谐振器21还分别通过所述的第一抽头耦合微带线28和所述的第二抽头耦合微带线29进行抽头耦合馈电。

进一步地，所述的带有一分四的滤波功能的功率分配网络3的一端通过所述的第四阻抗变换线32与端口相连，另一端通过所述的第五阻抗变换线33、第六阻抗变换线34、第七阻抗变换线35、第八阻抗变换线36分别与所述的第一驱动贴片16、第二驱动贴片17、第三驱动贴片18和第四驱动贴片19相连。

进一步地，所述的第一抽头耦合微带线28和所述的第二抽头耦合微带线29分别放置在距离所述的第一反相功率分配微带线22和所述的第二反相功率分配微带线23中点的工作频率的四分之一波长处。

进一步地，所述的第五阻抗变换线33、第六阻抗变换线34、第七阻抗变换线35、第八阻抗变换线36分别设置在所述的第一驱动贴片16、第二驱动贴片17、第三驱动贴片18和第四驱动贴片19的边缘的中段。

进一步地，印刷在所述的上层介质基板9上表面的四个相同的对称放置的第一微带贴片天线1和印刷在所述的下层介质基板10上表面的四个相同的对称放置的第二微带贴片天线2以及所述的反相功率分配微带线4能产生一个具有三个相近谐振模式的贴片天线阵列。

进一步地，枝节加载的所述的第一双模谐振器20、第二双模谐振器21和具有三个相近谐振模式的贴片天线阵列相耦合产生的滤波天线阵列能使所需要的频率信号能通过。

进一步地，枝节加载的所述的第一双模谐振器20和第二双模谐振器21能在通带外两边各产生一个辐射零点。

进一步地，枝节加载的所述的第一双模谐振器20的第一开路线24和枝节加载的所述的第二双模谐振器21的第三开路线26在上阻带会产生一个传输零点，枝节加载的所述的第一双模谐振器20的第二开路线25和枝节加载的所述的第二双模谐振器21的第四开路线27会在下阻带引入一个传输零点，通过调整第一开路线24、第二开路线25、第三开路线26和第四开路线27的长度、同相功率分配T型微带线6和第一开路线24和第三开路线26之间的耦合间隙、第一抽头耦合微带线28位于第一开路线24的位置、第二抽头耦合微带线29位于第三开路线26的位置，能使所要的频率的信号能通过。

本实用新型相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本实用新型将阵列天线的功率分配网络与滤波网络设计结合在一起，设计了一个既具有滤波功能、又具有功率分配功能的滤波功率分配网络。因此天线的结构比较紧凑。同时，本实用新型通过设计四个单元的天线阵列，大大提高了天线的增益。

2、本实用新型将双层贴片天线单元设计为滤波器的最后一阶，增加了通带内的模式，提高了频率选择性，扩展了带宽。

3、本实用新型将功率分配微带线作为滤波网络的一阶，提高了结构的有效性，最大的利用了结构。同时，也提高了滤波网络的阶数，提高了频率选择性。

4、本实用新型通过设计SLR谐振器的长度，用其中一个端口直接馈电的方式，在带外两边各引入一个传输零点，提高了带外抑制。

附图说明

图1为本实用新型的总示意图以及主要组成部分的编号标注；

图2为本实用新型的总示意图以及细化的编号标注；

图3为本实用新型中两个单元双层堆叠贴片天线的俯视图；

图4为本实用新型中上层介质基板的俯视图；

图5为本实用新型中下层介质基板的俯视图；

图6为本实用新型中上层介质基板上表面结构的尺寸标注图；

图7为本实用新型中下层介质基板上表面结构的尺寸标注图；

图8为本实用新型中两个单元双层堆叠贴片天线实例的仿真S参数曲线图；

图9为本实用新型中SLR谐振器实例的仿真S参数曲线图；

图10为本实用新型中天线的测试S参数曲线图；

图11为本实用新型中天线的仿真增益随频率变化曲线；

图12为本实用新型中天线的E面仿真方向图；

图13为本实用新型中天线的H面仿真方向图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

实施例

参照图1和图2，本实施例公开了一种基于多模谐振器滤波天线阵列，上层介质基板9的上表面印刷有由四个相同的对称放置的第一微带贴片天线1，下层介质基板10的上表面印刷有由四个相同的对称放置的第二微带贴片天线2和一个带有一分四的滤波功能的功率分配网络3，其下表面印刷有反射地板11。

其中所述的第一微带贴片天线1为寄生贴片，第二微带贴片天线2为驱动贴片，所述的第一微带贴片天线1包括第一寄生贴片12、第二寄生贴片13、第三寄生贴片14和第四寄生贴片15，所述的第二微带贴片天线2包括第一驱动贴片16、第二驱动贴片17、第三驱动贴片18和第四驱动贴片19。并且，第一微带贴片天线1和的第二微带贴片天线2上下堆叠设置构成双层堆叠微带贴片天线.，

所述的带有一分四的滤波功能的功率分配网络3包括第一阻抗变换线7、第二阻抗变换线30、第三阻抗变换线31、第四阻抗变换线32、反相功率分配微带线4、抽头耦合微带线8、枝节加载的双模谐振器5和同相功率分配T型微带线6；所述的第一阻抗变换线7包括第五阻抗变换线33、第六阻抗变换线34、第七阻抗变换线35、第八阻抗变换线36，所述的反相功率分配微带线4包括第一反相功率分配微带线22、第二反相功率分配微带线23，所述的抽头耦合微带线8包括第一抽头耦合微带线28、第二抽头耦合微带线29，所述的枝节加载的双模谐振器5包括第一双模谐振器20、第二双模谐振器21，所述的第一、二双模谐振器分别由U型的第一开路线24、加载在U型的第一开路线凹槽段的第二开路线25和U型的第三开路线26、加载在U型的第三开路线凹槽段的第四开路线27组成。

所述的带有一分四的滤波功能的功率分配网络3的一端通过第四阻抗变换线32与端口相连，另一端与所述的第二微带贴片天线2相连。

滤波天线阵列的结构是对称的，参考图3，从四单元滤波天线阵列中选取其中第一驱动贴片16、第三驱动贴片18、第一寄生贴片12、第三寄生贴片14、第五阻抗变换线33、第七阻抗变换线35和第一反相功率分配微带线22组成一个两单元的天线阵列，通过合理选择尺寸，可以使得第一、三驱动贴片、第一、三寄生贴片和第一反相功率分配微带线产生一个具有三个相近谐振模式的贴片天线阵列。作为一个实例，当中心频率选取为2.65GHz时，采用相对介电常数为2.55，介质损耗角为0.003，厚度为0.8mm的聚四氟乙烯介质基板。第一、三驱动贴片的长度和宽度都为33.8mm，第一、三寄生贴片的长度和宽度都为41.5mm，第五、七阻抗变换微带线长度都为10.8mm，宽度都为4.6mm，第一反相功率分配微带线的长度为46.2mm，宽度为1.2mm，空气层的高度为6.5mm，在距第一反相功率分配微带线中点19.5mm处激励。图8是这时的S参数，可以看出，双层堆叠微带贴片天线与反相功率分配微带线的谐振模式相近。

枝节加载的双模谐振器5包括第一双模谐振器20和第二双模谐振器21，两个双模谐振器是对称相同的。选择第一双模谐振器20进行研究，它是由U型的第一开路线24、加载在U型的第一开路线凹槽段的第二开路线25组成的。第一双模谐振器20一端与同相功率分配T型微带线6之间存在耦合缝隙，通过缝隙耦合馈电，另一端与第一抽头耦合微带线28相连，通过抽头耦合馈电，第一双模谐振器的第一开路线24在上阻带会产生一个传输零点，第二开路线25会在下阻带引入一个传输零点。通过合理选择第一开路线24、第二开路线25的长度，缝隙耦合的耦合间距、抽头耦合端口的位置，能使所要的频率的信号能通过。作为一个实例，当中心频率选取为2.65GHz时，采用相对介电常数为2.55，介质损耗角为0.003，厚度为0.8mm的聚四氟乙烯介质基板，第一开路线24的长度为36.2mm，第二开路线25为23.2mm。图9为这个时候的双模谐振器的S参数，可以看出，在中心频率2.65GHz附近有两个相近的模式，在带外2.2GHz和3.1GHz各有一个零点，提高带外抑制。

工作时，信号从端口送入，通过第四阻抗变换线32、第三阻抗变换线31、第二阻抗变换线30传给同相功率分配T型微带线6，然后以相同的幅度、相同的相位通过缝隙耦合给第一双模谐振器20和第二双模谐振器21，再经过第一抽头耦合微带线28和第二抽头耦合微带线29分别传给第一反相功率分配微带线22和第二反相功率分配微带线23，经过第一反相功率分配微带线的信号被以相同的幅度、相反的相位(相位相差180度)分配到第一驱动贴片16和第三驱动贴片18，同时经过第二反相功率分配微带线的信号被以相同的幅度、相反的相位(相位相差180度)分配到第二驱动贴片17和第四驱动贴片19，最后驱动贴片的能量耦合到寄生贴片上。由于在寄生贴片上的电流都是同向，因此能够在天线的正Z方向同向叠加，产生较高的天线增益。

图4、5分别为两个介质基板上下表面的电气结构图，条纹填充部分为导体铜覆盖的结构，其余部分为介质基板。

图6、7为各部分电气结构的尺寸标注图。

结合图2，图6，图7的尺寸标注，本实施例中天线的具体参数如下：两个介质板均为聚四氟乙烯介质板板，厚度1c，3c为0.8mm，宽度1b为166mm，长度1a也为166mm。两个介质板之间的高度2c为6.5mm。寄生贴片的边长2a，2b都是41.5mm，间距4c，5c为42.5mm。驱动贴片的边长3a，3b都是33.8mm，间距6c，7c为50.2mm。功率分配网络成左右对称，其主要尺寸4a，5a，6a，7a，8a，9a，10a，11a，12a，13a，14a，分别为10.8mm，8.6mm，5mm，17.3mm，7.1mm，13.6mm，23.2mm，17.8mm，19mm，19mm，28mm。4b，5b，6b，7b，8b，9b，10b，11b，12b，13b，14b分别为4.6mm，1.2mm，2.2mm，1mm，2mm，0.5mm，2.2mm，5.76mm，3.1mm，2.64mm，2.2mm。该滤波天线阵列工作在中心频率2.65GHz左右，带宽为460MHz，带内有五个谐振模式，如图10。在工作频带范围内，天线的增益基本上都大于11dBi，如图11所示。交叉极化大于30dB，如天线的仿真方向图如12，13所示。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于多模谐振器滤波天线阵列，包括上层介质基板(9)和下层介质基板(10)，上层介质基板(9)的上表面印刷有由四个相同的对称放置的第一微带贴片天线(1)，下层介质基板(10)的上表面印刷有由四个相同的对称放置的第二微带贴片天线(2)和一个带有一分四的滤波功能的功率分配网络(3)，其下表面印刷有反射地板(11)，其特征在于，所述的第一微带贴片天线(1)和所述的第二微带贴片天线(2)上下堆叠设置构成双层堆叠微带贴片天线，其中所述的第一微带贴片天线(1)为寄生贴片，所述的第二微带贴片天线(2)为驱动贴片，所述的第一微带贴片天线(1)包括第一寄生贴片(12)、第二寄生贴片(13)、第三寄生贴片(14)和第四寄生贴片(15)，所述的第二微带贴片天线(2)包括第一驱动贴片(16)、第二驱动贴片(17)、第三驱动贴片(18)和第四驱动贴片(19)；

所述的带有一分四的滤波功能的功率分配网络(3)的一端与端口相连，另一端与所述的第二微带贴片天线(2)相连。

2.根据权利要求1所述的基于多模谐振器滤波天线阵列，其特征在于，所述的带有一分四的滤波功能的功率分配网络(3)包括第一阻抗变换线(7)、第二阻抗变换线(30)、第三阻抗变换线(31)、第四阻抗变换线(32)、反相功率分配微带线(4)、抽头耦合微带线(8)、枝节加载的双模谐振器(5)和同相功率分配T型微带线(6)；所述的第一阻抗变换线(7)包括第五阻抗变换线(33)、第六阻抗变换线(34)、第七阻抗变换线(35)、第八阻抗变换线(36)，所述的反相功率分配微带线(4)包括第一反相功率分配微带线(22)、第二反相功率分配微带线(23)，所述的抽头耦合微带线(8)包括第一抽头耦合微带线(28)、第二抽头耦合微带线(29)，所述的枝节加载的双模谐振器(5)包括第一双模谐振器(20)、第二双模谐振器(21)，其中，所述的第一双模谐振器由U型的第一开路线(24)、加载在U型的第一开路线(24)凹槽段的第二开路线(25)组成，所述的第二双模谐振器由U型的第三开路线(26)、加载在U型的第三开路线(26)凹槽段的第四开路线(27)组成。

3.根据权利要求2所述的基于多模谐振器滤波天线阵列，其特征在于，所述的第一反相功率分配微带线(22)和所述的第二反相功率分配微带线(23)分别与第五阻抗变换线(33)、第七阻抗变换线(35)和第六阻抗变换线(34)、第八阻抗变换线(36)相连，所述的第一抽头耦合微带线(28)和所述的第二抽头耦合微带线(29)的一端分别与所述的第一反相功率分配微带线(22)和所述的第二反相功率分配微带线(23)相连，而所述的第一抽头耦合微带线(28)和所述的第二抽头耦合微带线(29)的另一端分别与所述的第一双模谐振器(20)的第一开路线(24)、所述的第二双模谐振器(21)的第三开路线(26)相连；

所述的第一开路线(24)、所述的第三开路线(26)和所述的同相功率分配T型微带线(6)之间存在耦合间隙，所述的同相功率分配T型微带线(6)与所述的第二阻抗变换线(30)的一端相连，所述的第二阻抗变换线(30)的另一端与所述的第三阻抗变换线(31)的一端相连，所述的第三阻抗变换线(31)的另一端与所述的第四阻抗变换线(32)的一端相连，所述的第四阻抗变换线(32)另一端与激励端口相连；

所述的同相功率分配T型微带线(6)设置在所述的第一开路线(24)和所述的第三开路线(26)的一侧，所述的同相功率分配T型微带线(6)和所述的第一开路线(24)以及所述的第三开路线(26)之间存在耦合间隙，所述的第一双模谐振器(20)和所述的第二双模谐振器(21)与所述的同相功率分配T型微带线(6)通过缝隙耦合馈电；所述的第一双模谐振器(20)和所述的第二双模谐振器(21)还分别通过所述的第一抽头耦合微带线(28)和所述的第二抽头耦合微带线(29)进行抽头耦合馈电。

4.根据权利要求2或3所述的基于多模谐振器滤波天线阵列，其特征在于，所述的带有一分四的滤波功能的功率分配网络(3)的一端通过所述的第四阻抗变换线(32)与端口相连，另一端通过所述的第五阻抗变换线(33)、第六阻抗变换线(34)、第七阻抗变换线(35)、第八阻抗变换线(36)分别与所述的第一驱动贴片(16)、第二驱动贴片(17)、第三驱动贴片(18)和第四驱动贴片(19)相连。

5.根据权利要求2或3所述的基于多模谐振器滤波天线阵列，其特征在于，所述的第一抽头耦合微带线(28)和所述的第二抽头耦合微带线(29)分别放置在距离所述的第一反相功率分配微带线(22)和所述的第二反相功率分配微带线(23)中点的工作频率的四分之一波长处。

6.根据权利要求4所述的基于多模谐振器滤波天线阵列，其特征在于，所述的第五阻抗变换线(33)、第六阻抗变换线(34)、第七阻抗变换线(35)、第八阻抗变换线(36)分别设置在所述的第一驱动贴片(16)、第二驱动贴片(17)、第三驱动贴片(18)和第四驱动贴片(19)的边缘的中段。

7.根据权利要求2所述的基于多模谐振器滤波天线阵列，其特征在于，印刷在所述的上层介质基板(9)上表面的四个相同的对称放置的第一微带贴片天线(1)和印刷在所述的下层介质基板(10)上表面的四个相同的对称放置的第二微带贴片天线(2)以及所述的反相功率分配微带线(4)能产生一个具有三个相近谐振模式的贴片天线阵列。

8.根据权利要求2或3所述的基于多模谐振器滤波天线阵列，其特征在于，枝节加载的所述的第一双模谐振器(20)、第二双模谐振器(21)和具有三个相近谐振模式的贴片天线阵列相耦合产生的滤波天线阵列能使所需要的频率信号能通过。

9.根据权利要求2或3所述的基于多模谐振器滤波天线阵列，其特征在于，枝节加载的所述的第一双模谐振器(20)和第二双模谐振器(21)能在通带外两边各产生一个辐射零点。

10.根据权利要求2或3所述的基于多模谐振器滤波天线阵列，其特征在于，枝节加载的所述的第一双模谐振器(20)的第一开路线(24)和枝节加载的所述的第二双模谐振器(21)的第三开路线(26)在上阻带会产生一个传输零点，枝节加载的所述的第一双模谐振器(20)的第二开路线(25)和枝节加载的所述的第二双模谐振器(21)的第四开路线(27)会在下阻带引入一个传输零点，通过调整第一开路线(24)、第二开路线(25)、第三开路线(26)和第四开路线(27)的长度、同相功率分配T型微带线(6)和第一开路线(24)和第三开路线(26)之间的耦合间隙、第一抽头耦合微带线(28)位于第一开路线(24)的位置、第二抽头耦合微带线(29)位于第三开路线(26)的位置，能使所要的频率的信号能通过。