CN209948041U - 一种双极化贴片天线与滤波器融合的多功能射频器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双极化贴片天线与滤波器融合的多功能射频器件，包括三层介质板，顶层介质基板上表面设置寄生贴片；所述中间层介质基板上表面设置辐射贴片，其下表面设置十字形馈电线，所述十字形馈电线的末端与辐射贴片相连；所述底层介质基板的上表面设置地板，其下表面设置短路枝节线及匹配网络，所述短路枝节线与十字形馈电线构成带通滤波器；所述寄生贴片、辐射贴片与十字形馈电线构成双极化天线；该实用新型具备双极化天线和带通滤波器两种工作模式，可以根据需要调整工作模式而不需要改动电路结构，且两种工作模式是独立的。

Description

一种双极化贴片天线与滤波器融合的多功能射频器件

技术领域

本实用新型涉及无线移动通信领域的天线研究领域，特别涉及一种双极化贴片天线与滤波器融合的多功能射频器件。

背景技术

随着下一代智能系统和自动化设备的研究的进行，越来越多的目光开始投向可重构器件。可重构器件可与可编程元件结合使用，实现可控多模的工作模式，既能实现系统的多种功能，又能减少系统器件的使用个数，实现系统的小型化效果。

滤波器和天线作为射频前端的两个重要组成部分，研究者针对滤波器和天线的可重构研究投入了大量的精力。其中，滤波器的可重构包括，滤波器的工作频率可切换，带宽可调等；天线的可重构包括，天线的辐射模式可重构，工作模式可切换，工作频率可切换等。但这些工作只实现了单一的功能(滤波器或天线)，并没有在功能的种类上实现突破。

现在也有人开始将滤波器和天线进行融合设计，设计出既能充当滤波器，也能充当天线的滤波器和天线功能可重构器件/多功能器件。正如滤波天线的设计中的那样，天线的辐射体同时也是一个谐振器，这一点在设计滤波器和天线功能可重构器件/多功能器件时也可以加以利用。不同的是，滤波天线设计时，是将天线替代滤波器的最后一级谐振器，并去掉了滤波器的与最后一级谐振器相连的端口和天线的输入端口；而设计滤波器和天线功能可重构器件/多功能器件时，则是将天线作为滤波器中间的一级谐振器，并且保留了滤波器的所有端口，甚至也保留了天线的输入端口。这样，通过选择不同的工作端口，就可以分别工作在滤波器或天线模式。也就是说，这样一个器件就实现了滤波器和天线两种功能。

现阶段已开发了一些多功能微波元件或可编程微波元件的器件，现有文献记载通过使用双功能空腔谐振器，提出了一种滤波器和天线集成的二合一设计，实现了三个不同频带的滤波和辐射操作，但带宽仅有0.33％；也有文献中采用贴片或介质谐振器用作相同频率的辐射器和滤波器，辐射器仅具有单极化应用；而且在这些设计中，滤波器和天线共用谐振器，因此它们的中心频率或带宽不能独立调谐，并且，他们的天线不能在同一个频率内实现双极化工作。

实用新型内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本实用新型提供一种双极化贴片天线与滤波器融合的多功能射频器件。

该器件具备双极化天线和带通滤波器两种工作模式，可以根据需要调整工作模式而不需要改动电路结构，且两种工作模式是独立的。

本实用新型采用如下技术方案：

一种双极化贴片天线与滤波器融合的多功能射频器件，包括三层介质基板，从上往下依次是顶层介质基板、中间层介质基板及底层介质基板；

所述顶层介质基板上表面设置寄生贴片；

所述中间层介质基板上表面设置辐射贴片，其下表面设置十字形馈电线，所述十字形馈电线的末端与辐射贴片相连；

所述底层介质基板的上表面设置地板，其下表面设置短路枝节线及匹配网络，所述短路枝节线一端并联在匹配网络靠近底层介质板中心位置的一端上，所述短路枝节线另一端与地板连接，所述匹配网络穿过底层介质基板通过金属线与十字形馈电线连接；

所述短路枝节线与十字形馈电线构成带通滤波器；

所述寄生贴片、辐射贴片与十字形馈电线构成双极化天线。

所述辐射贴片及寄生贴片均为对称结构,所述对称结构包括正方形或圆形。所述短路枝节线为带通滤波器工作频率的四分之一波长。

所述十字形馈电线的横向枝节长度或纵向枝节长度为带通滤波器工作频率的四分之一波长。

所述匹配网络由四段宽度不同的微带线依次连接构成，末端为端口。

所述地板为方形金属贴片。

所述十字形馈电线的十字形交叉点为中间层介质基板的中心点。

所述寄生贴片及辐射贴片产生控制天线通带的一对极点；

所述十字形馈电线及短路枝节线产生控制滤波器通带的一对极点；

两对极点相互独立。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

1、本实用新型一种双极化贴片天线和滤波器融合的多功能射频器件，既可以用作双极化天线，也可以用作滤波器使用，具有功能可重构特性。

2、本实用新型一种双极化贴片天线和滤波器融合的多功能射频器件，可以通过调整十字形馈电线长度和底层短路枝节线的长度来控制滤波器中心频率，通过调整寄生贴片和辐射贴片的边长来控制天线的中心工作频率。

3、本实用新型一种双极化贴片天线和滤波器融合的多功能射频器件，寄生贴片与辐射贴片对滤波器频率几乎没有影响，十字形馈电线和底层短路枝节线的长度对天线工作频率几乎没影响，可以根据需要选择滤波器和天线的工作模式，促进了双功能部件的设计。

附图说明

图1是本实用新型的拆分结构图；

图2是本实用新型的侧视图；

图3(a)及图3(b)是本实用新型的顶层介质基板的反面和正面结构图；

图4(a)及图4(b)是本实用新型的中间层介质基板的反面和正面结构图；

图5(a)及图5(b)是本实用新型的底层介质基板的反面和正面结构图；

图6是本实用新型具体实施例中改变寄生贴片边长时不同频率下的S参数仿真结果图；

图7是本实用新型具体实施例中改变辐射贴片边长时不同频率下的S参数仿真结果图；

图8是本实用新型具体实施例中改变十字形馈电线长度时不同频率下的S参数仿真结果图；

图9是本实用新型具体实施例中不同频率下实际增益的测量和仿真结果图；

图10是本实用新型具体实施例中不同频率下S参数的测量和仿真结果图；

图11是本实用新型具体实施例在中心工作频率2.4GHz处仅激励一个端口的E面测量和仿真辐射模式图；

图12是本实用新型具体实施例在中心工作频率2.4GHz处仅激励一个端口的H面测量和仿真辐射模式图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

如图1、图2、图3(a)及图3(b)、图4(a)及图4(b)、图5(a)及图5(b)所示，一种双极化贴片天线与滤波器融合的多功能射频器件，该器件是双端口器件，可以在不改变电路结构的情况下,同时实现滤波器和双极化天线两种功能，滤波器和天线的工作频率不同，且可独立控制。

包括三层介质基板，从上往下依次是顶层介质基板、中间层介质基板及底层介质基板，三层介质基板的中心点在同一条竖直线上，所述顶层介质基板与底层介质基板间隔比中间层介质基板与底层介质基板的间隔距离大。

所述顶层介质基板2的上表面设置一个方形的寄生贴片1，寄生贴片的中心点为顶层介质基板的中心点。

所述中间层介质基板5的上表面设置一个方形的辐射贴片3，其下表面设置十字形馈电线6，所述十字形馈电线的末端通过金属过孔4与辐射贴片相连；十字形馈电线的交叉点与辐射贴片的中心点均为中间层介质基板的中心点。

所述辐射贴片及寄生贴片可以为正方形金属片，也可以为圆形等其他对称结构。

所述十字形馈电线由横向枝节及纵向枝节垂直交叉构成，十字形馈电线是一个具有轴对称和中心对称特点的结构，宽度可以是均匀的，也可以中间的宽度和两端的宽度不同，金属过孔均位于横向枝节的两端，纵向枝节的两端。本实施例中横向枝节和纵向枝节为中间窄两边宽的结构。所述十字形馈电线的结构位于辐射贴片的正下方，以增强天线工作模式下的端口隔离。

所述底层介质基板8的上表面设置一个方形金属贴片作为地板7，其下表面设置短路枝节线12、匹配网络9和器件端口，短路枝节线的一端并联在匹配网络靠近底层介质板中心位置的一端，本实施例具有两个器件端口，匹配网络及短路枝节线均为两个，所述短路枝节线的另一端即末端通过金属过孔11与地板连接，所述匹配网络9靠近底层介质基板中心位置的一端穿过底层介质基板通过金属线10向上延伸与十字形馈电线连接。

所述匹配网络能同时实现带通滤波器和双极化天线的匹配，由四段宽度不同的微带线13、14、15、16依次连接构成，微带线16末端为端口，两个器件端口分别位于底层介质基板的相邻直角边的中点。两个器件端口对应两个匹配网络，两个短路枝节线及两个金属过孔。

所述短路枝节线与十字形馈电线实现了带通滤波器工作模式；

所述寄生贴片、辐射贴片与十字形馈电线实现天线工作模式；

调整辐射贴片3和寄生贴片1的尺寸可以调整天线工作模式的频率，不影响滤波器的工作频率。

调整所述十字形馈电线6的长度和所述短路枝节线12的长度，可以调整滤波器工作模式的频率，不影响天线工作模式的频率。

十字形馈电线6的横向或纵向的长度约为滤波器工作频率的等效为四分之一波长。

所述短路枝节线12的长度约为滤波器工作频率的等效为四分之一波长。

所述的一种双极化贴片天线和滤波器融合的多功能射频器件由十字形馈电线、短路枝节线产生的控制滤波器通带的一对极点，与由寄生贴片、辐射贴片产生的控制天线通带的一对极点，两对极点之间互不影响，相互独立，可以选择性实现双极化天线的辐射功能和滤波器的电路功能，体现了该器件的可重构性。

参阅图6，是本实用新型一个具体实施例中当改变寄生贴片边长时的S-频率曲线的仿真图。可以看出，在本实施例中，通过控制方形寄生贴片边长可以在低频通带即天线工作频带内产生一个极点，且改变寄生贴片边长对高频通带即滤波器工作频带内的极点的影响可以忽略，但是对低频通带另一个极点产生一定的影响。可以看出天线相关参数与滤波器相关参数之间影响可以忽略。也可以看出天线与滤波器两个工作模式是互相独立的。

参阅图7，是本实用新型一个具体实施例中当改变辐射贴片边长时的S-频率曲线的仿真图。可以看出，在本实施例中，通过控制辐射贴片边长可以在低频通带即天线工作频带内产生一个极点，且改变辐射贴片边长对高频通带即滤波器工作频带的内的极点的影响可以忽略，但是对低频通带另一个极点产生一定的影响。可以看出天线相关参数与滤波器相关参数之间影响可以忽略。也可以看出天线与滤波器两个工作模式是互相独立的。

参阅图8，是本实用新型一个具体实施例中当改变十字形馈电线时的S-频率曲线的仿真图。可以看出，在本实施例中，通过控制十字形馈电线长度可以在高频通带内产生一个极点，且改变十字形馈电线长度对低频通带内的极点的影响可以忽略。可以看出天线相关参数与滤波器相关参数之间影响可以忽略。也可以看出天线与滤波器两个工作模式是互相独立的。

参阅图9，是本实用新型一个具体实施例中独立激励单个端口时的实际增益曲线-频率的测量和仿真图。可以看出仿真和测试的阻抗带宽基本为2.23-2.55GHz和3.66-3.86GHz。可以看出，仿真结果S和测试结果S有很好的一致性。

参阅图10，是本实用新型一个具体实施例中S11-频率、S12-频率和S22-频率的测量和仿真结果图。可以看出仿真和测试的S11和S22的结果具有很好的一致性，体现了2个端口的独立性。可以看出，在S11/S22具有较大值时，S21具有较小值，体现了在通带2个端口具有较强的隔离度，两个端口相互影响较小。也可以看出，仿真结果和测试结果有很好的一致性。

参阅图11，是本实用新型一个具体实施例中在中心工作频率2.4GHz处仅激励一个端口的测量和仿真辐射模式图，可以看出在E平面中获得小于20dB的低交叉极化水平；

参阅图12，是本实用新型一个具体实施例中在中心工作频率2.4GHz处仅激励一个端口的测量和仿真辐射模式图，可以看出在H平面中获得小于15dB的低交叉极化水平；

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所述实施例的限制，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 (7)

1.一种双极化贴片天线与滤波器融合的多功能射频器件，其特征在于，包括三层介质基板，从上往下依次是顶层介质基板、中间层介质基板及底层介质基板；

所述顶层介质基板上表面设置寄生贴片；

所述中间层介质基板上表面设置辐射贴片，其下表面设置十字形馈电线，所述十字形馈电线的末端与辐射贴片相连；

所述底层介质基板的上表面设置地板，其下表面设置短路枝节线及匹配网络，所述短路枝节线的一端与匹配网络连接，所述短路枝节线的另一端与地板连接，所述匹配网络穿过底层介质基板通过金属线与十字形馈电线连接；

所述短路枝节线与十字形馈电线构成带通滤波器；

所述寄生贴片、辐射贴片与十字形馈电线构成双极化天线。

2.根据权利要求1所述的多功能射频器件，其特征在于，所述辐射贴片及寄生贴片为对称结构，所述对称结构包括正方形或圆形。

3.根据权利要求1所述的多功能射频器件，其特征在于，所述短路枝节线为带通滤波器工作频率的四分之一波长。

4.根据权利要求1所述的多功能射频器件，其特征在于，所述十字形馈电线的横向枝节长度或纵向枝节长度为带通滤波器工作频率的四分之一波长。

5.根据权利要求1所述的多功能射频器件，其特征在于，所述匹配网络由四段宽度不同的微带线依次连接构成，末端为端口。

6.根据权利要求1所述的多功能射频器件，其特征在于，所述地板为方形金属贴片。

7.根据权利要求1所述的多功能射频器件，其特征在于，所述十字形馈电线的十字形交叉点为中间层介质基板的中心点。

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