CN209948042U

CN209948042U - 一种基于发卡型谐振器的滤波双工天线

Info

Publication number: CN209948042U
Application number: CN201920847314.3U
Authority: CN
Inventors: 袁嘉诚; 谢泽明
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2019-06-06
Filing date: 2019-06-06
Publication date: 2020-01-14
Anticipated expiration: 2029-06-06

Abstract

本实用新型公开了一种基于发卡型谐振器的滤波双工天线，包括上层介质基板、下层介质基板、刻有矩形缝隙的矩形贴片、矩形微带耦合贴片、馈电探针、反射地板、矩形微带馈线、发射端口、接收端口、发射通道馈电网络和接收通道馈电网络。本实用新型能够实现发射和接收同时进行，两端口互扰较小，且天线发射与接收使用的电磁波极化方式均为线极化。

Description

一种基于发卡型谐振器的滤波双工天线

技术领域

本实用新型涉及无线通信领域，尤其涉及一种基于发卡型谐振器的滤波双工天线。

背景技术

天线作为发射和接收电磁波的设备，是无线通信系统中不可缺少的关键组成部分。在传统的无线通信系统中，实现收发信号需要两个天线，一个用于发射电磁波，一个用于接收电磁波。接收天线和发射天线通过匹配网络和滤波器、双工器等射频器件相连接，从而实现双工通信并抑制互扰。这种传统的天线收发方式会带来设备体积大、重量重、损耗大、成本高、结构复杂等问题。一体化设计能够缩小设备体积，降低设备复杂度和成本，同时减少传输损耗，因此器件一体化设计成为无线通信领域的新的研究方向。

双工天线具有两个信号通道，分别用于发射和接收信号，发射通道和接收通道共用同一个辐射单元来发射和接收电磁波。与传统的双天线系统相比，双工天线的体积更小，集成化程度更高。而隔离度是衡量双工天线性能的重要指标，隔离度越高，天线收发端口间的干扰越小，双工通信的质量就越高。在双工天线的设计过程中，分别在两个通带内引入滤波器进行联合设计，这样能够提升端口间隔离，增大工作带宽，同时减少额外匹配网络带来的损耗，减小体积，降低设备复杂度。

双工天线只用一个器件，实现电磁波发射和接收同时进行、收发分离及抗干扰的功能，运用于无线通信系统中，可实现无线通信设备的小型化、高效率和低成本，能广泛应用于卫星导航、RFID、WLAN、FDD-LTE移动通信终端或一体化中继和室内基站等设备。相关的技术科研能够作为5G移动通信技术的储备。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于发卡型谐振器的滤波双工天线。本实用新型具有阻抗带宽较宽、端口互扰较小的优点，具体发射通道百分比带宽达5.38％，接收通道百分比带宽达8.23％，且在发射通道和接收通道同时实现了34dB以上的隔离。

本实用新型的目的能够通过以下技术方案实现：

一种基于发卡型谐振器的滤波双工天线，包括上层介质基板、下层介质基板、刻有矩形缝隙的矩形贴片、矩形微带耦合贴片、馈电探针、反射地板、矩形微带馈线、发射端口、接收端口、发射通道馈电网络和接收通道馈电网络；

所述上层介质基板与下层介质基板互相平行，且相隔一定距离；不同距离对应不同的天线带宽；

所述发射通道馈电网络包括第一微带馈线、第一微带耦合线、发射通道第一发卡型谐振器和发射通道第二发卡型谐振器；

所述接收通道馈电网络包括第二微带馈线、第二微带耦合线、接收通道第三发卡型谐振器和接收通道第四发卡型谐振器。

刻有矩形缝隙的矩形贴片印刷在上层介质基板的上表面；矩形微带耦合贴片印刷在上层介质基板的上表面；反射地板印刷在下层介质基板的上表面；所述矩形微带馈线、发射通道馈电网络和接收通道馈电网络印刷在下层介质基板的下表面；馈电探针一端与矩形微带耦合贴片相连接，另一端穿过反射地板以及下层介质基板与矩形微带馈线相连接；发射通道馈电网络通过第一微带馈线与发射端口相连，接收通道馈电网络通过第二微带馈线与接收端口相连。

进一步地，所述矩形微带耦合贴片位于矩形缝隙的内部；所述矩形微带耦合贴片的几何中心与矩形缝隙的几何中心重合；所述矩形微带耦合贴片垂直于较长边的对称轴、矩形缝隙垂直于较长边的对称轴以及矩形贴片的水平方向的对称轴位于同一条水平直线上。

进一步地，所述矩形微带馈线和反射地板的对称轴位于同一条水平直线上，且该水平直线垂直于反射地板的边缘；所述发射通道馈电网络和接收通道馈电网络分布在矩形微带馈线的两侧。

进一步地，馈电探针位于矩形微带耦合贴片的几何中心且在矩形微带馈线的对称轴上。

进一步地，第一微带耦合线和发射通道第一发卡型谐振器之间存在耦合间隙，发射通道第一发卡型谐振器和发射通道第二发卡型谐振器之间存在耦合间隙，发射通道第二发卡型谐振器和矩形微带馈线之间存在耦合间隙，且上述间隙均可调。

进一步地，第二微带耦合线和接收通道第三发卡型谐振器之间存在耦合间隙，接收通道第三发卡型谐振器和接收通道第四发卡型谐振器之间存在耦合间隙，接收通道第四发卡型谐振器和矩形微带馈线之间存在耦合间隙，且上述间隙均可调。

进一步地，印刷在上层介质基板上表面的刻有矩形缝隙的矩形贴片、矩形微带耦合贴片和馈电探针能产生一个具有两个谐振模式的单极化贴片天线；发射通道中的第一发卡型谐振器、第二发卡型谐振器和具有两个谐振模式的单极化贴片天线的低频谐振模式相耦合产生的发射天线使得频率为f_发的发送信号能够通过，而频率为f_收的接收信号不能通过。

进一步地，接收通道第三发卡型谐振器、第四发卡型谐振器和具有两个谐振模式的单极化贴片天线的高频谐振模式相耦合产生的接收天线使得频率为f_收的接收信号能够通过，而频率为f_发的发送信号不能通过。

进一步地，发射通道和接收通道可以通过调节对应微带耦合线和对应发卡型谐振器之间的耦合间隙、发卡型谐振器和发卡型谐振器之间的耦合间隙，使得滤波双工天线的发射通道和接收通道的共同工作不受影响。

本实用新型相较于现有技术，具有以下的有益效果：

1、本实用新型将刻有矩形缝隙的矩形贴片和矩形微带耦合贴片经馈电探针和矩形微带馈线馈电设计了一个具有两个谐振模式的贴片天线，由于两个谐振模式都产生同向的线极化电磁波，且两个谐振模式的频点间隔近，能够便于实现发射接收频率间隔近的频分双工天线。

2、本实用新型结构简单，无需引入额外的电路以实现传输零点提高隔离，通过馈电网络中引入发卡型谐振器，就能使得发射端和接收端之间具有高的隔离度。

3、本实用新型发射通道和接收通道间的互扰小，能够通过改变发射通道第一微带耦合线和第一发卡谐振器之间的耦合间隙、第一发卡型谐振器和第二发卡型谐振器之间的耦合间隙、第二发卡型谐振器和矩形微带馈线之间的耦合间隙使得保证发射端口工作时，接收通道等效为开路负载，而改变接收通道第二微带耦合线和第三发卡型谐振器之间的耦合间隙、第三发卡型谐振器和第四发卡型谐振器之间的耦合间隙、第四发卡型谐振器和矩形微带馈线之间的耦合间隙使得保证接收端口工作时，发射通道等效为开路负载，从而实现发射通道和接收通道间的小的互扰。

附图说明

图1为一种基于发卡型谐振器的滤波双工天线的结构示意图。

图2为本实施例中滤波双工天线的尺寸示意图。

图3为本实施例中天线的正面剖视图。

图4为本实施例中上层介质基板的俯视图。

图5为本实施例中下层介质基板的俯视图。

图6为本实施例中下层介质基板的仰视图。

图7为本实施例中上层介质基板上表面结构的尺寸标注图。

图8为本实施例中下层介质基板上表面结构的尺寸标注图。

图9为本实施例中下层介质基板下表面结构的尺寸标注图。

图10为本实施例中天线的仿真S参数曲线图。

图11为本实施例天线的的仿真增益随频率变化曲线。

图12(a)为本实施例中发射端口16(端口1)(2.4GHz)激励的xoz面仿真方向图。

图12(b)为本实施例中发射端口16(端口1)(2.4GHz)激励的yoz面仿真方向图。

图13(a)为本实施例中接收端口17(端口2)(3.05GHz)激励的xoz面仿真方向图。

图13(b)为本实施例中接收端口17(端口2)(3.05GHz)激励的yoz面仿真方向图。

其中，1-矩形贴片，2-矩形微带耦合贴片，3-馈电探针，4-第一微带馈线，5-第一微带耦合线，6-发射通道第一发卡型谐振器，7-发射通道第二发卡型谐振器，8-矩形微带馈线，9-第二微带馈线，10-第二微带耦合线，11-接收通道第三发卡型谐振器，12-接收通道第四发卡型谐振器，13-上层介质基板，14-下层介质基板，15-反射地板，16-发射端口，17-接收端口，18-矩形缝隙。

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详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

如图1-3所示为本实施例中基于发卡型谐振器的滤波双工天线的结构示意图，所述天线包括一个刻有矩形缝隙(18)的矩形贴片(1)、矩形微带耦合贴片(2)、矩形微带馈线(8)、与矩形微带耦合贴片(2)相连的馈电探针(3)，反射地板(15)，分布在矩形微带馈线(8)两侧的发射通道馈电网络和接收通道馈电网络。所述的发射通道馈电网络包括第一微带馈线(4)、第一微带耦合线(5)、发射通道第一发卡型谐振器(6)、发射通道第二发卡型谐振器(7)；所述的接收通道馈电网络包括第二微带馈线(9)、第二微带耦合线(10)、接收通道第三发卡型谐振器(11)、接收通道第四发卡型谐振器(12)，以及发射端口(16)(端口1)，接收端口(17)(端口2)。发射通道馈电网络通过第一微带馈线(4)与发射端口(16)相连，接收通道馈电网络通过第二微带馈线(9)与接收端口(17)相连。

矩形微带耦合贴片(2)的几何中心与矩形缝隙(18)的几何中心重合；矩形微带耦合贴片(2)、矩形缝隙(18)、矩形贴片(1)的对称轴在一条水平直线上，且该条水平直线垂直于所述的矩形微带耦合贴片的边缘。矩形微带馈线(8)、反射地板(15)的对称轴在同一条水平直线上，且该条水平直线垂直于所述的反射地板的边缘。

馈电探针(3)的圆心位于矩形微带耦合贴片(2)的几何中心，且位于矩形微带馈线(8)的对称轴上，馈电探针(3)一端与矩形微带耦合贴片(2)相连，另一端穿过发射地板(15)以及下层介质基板(14)与矩形微带馈线(8)相连。

当要求f_发＝2.4GHz，f_收＝3.05GHz时，可以采用相对介电常数为3.55、厚度h＝0.8mm的介质板做介质基板，介质基板间空气层高度h＝4mm。矩形贴片(1)的长度取1a＝1b＝39mm，贴片边缘距上层介质基板(13)边缘1c＝1d＝25.5mm。矩形微带耦合贴片(2)的长度取2a＝2mm，2b＝8mm，矩形微带耦合贴片(2)距矩形贴片(1)边缘2c＝5mm。矩形缝隙(18)的长度取18a＝3mm，18b＝9.2mm，并且矩形缝隙(18)的几何中心与矩形微带耦合贴片(2)的几何中心重合，矩形缝隙(18)、矩形微带耦合贴片(2)和矩形贴片(1)的对称轴为同一条水平直线，并垂直于矩形贴片(1)的边缘。

馈电探针(3)的圆心位于矩形微带耦合贴片(2)的几何中心，且位于矩形微带馈线(8)的对称轴上。馈电探针(3)的直径3a＝1mm，圆心距离矩形微带馈线(8)的边缘3b＝22.9mm。矩形微带馈线的长度8a＝24.9mm，8b＝2mm。

发射通道第一微带馈线(4)是50欧姆微带线，长度4a＝8.6mm，4b＝1.75mm。发射通道第一微带耦合线(5)的长度5a＝17.2mm，5b＝0.5mm。发射通道第一发卡型谐振器(6)的长度6a＝16mm，6b＝6.5mm，6c＝2mm，与发射通道第一微带耦合线(5)的距离6d＝0.4mm。发射通道第二发卡型谐振器(7)的长度7a＝16mm，7b＝6.6mm，7c＝2mm，与发射通道第一发卡型谐振器(6)的耦合缝隙7d＝1.2mm，与矩形微带馈线(8)的耦合缝隙7e＝0.9mm。

接收通道第二微带馈线(9)是50欧姆微带线，长度9a＝8.5mm，9b＝1.75mm。接收通道第二微带耦合线(10)的长度10a＝14.3mm，10b＝0.3mm。接收通道第三发卡型谐振器(11)的长度11a＝14.2mm，11b＝3mm，11c＝2mm，与接收通道第二微带耦合线(10)的距离11d＝0.4mm。接收通道第四发卡型谐振器(12)的长度12a＝14.2mm，12b＝3.2mm，12c＝2mm，与接收通道第三发卡型谐振器(11)的耦合缝隙12d＝0.8mm，与矩形微带馈线(8)的耦合缝隙12e＝0.5mm。

当发射时，信号从发射端口(16)送入，经由发射通道第一微带馈线(4)，第一微带耦合线(5)，发射通道第一发卡型谐振器(6)，发射通道第二发卡型谐振器(7)组成的发射通道馈电网络将信号传递给矩形微带馈线(8)，馈电探针(3)再将信号传递给矩形微带耦合贴片(2)，最后通过矩形微带耦合贴片(2)耦合信号给矩形贴片(1)辐射出去。

当接收时，信号从矩形贴片(1)处接收，矩形贴片(1)将接收到的信号耦合给矩形微带耦合贴片(2)，矩形微带耦合贴片(2)再将信号传递给馈电探针(3)，馈电探针(3)再将信号传递给矩形微带馈线(8)，矩形微带馈线(8)将信号传递给由接收通道第四发卡型谐振器(12)，接收通道第三发卡型谐振器(11)，接收通道第二微带耦合线(10)，接收通道第二微带馈线(9)组成的接收通道馈电网络，再从接收端口(17)输出。

图4、图5、图6分别为上层介质基板上表面、下层介质基板上表面、下层介质基板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7、图8、图9为各部分电气结构的尺寸标注图。

结合图2和图7、图8、图9的尺寸标注，本实施例中天线的具体参数如下：上下两个介质板的材料和尺寸相同，厚度c为0.8mm，宽度b为90mm，长度a为90mm。上下两个介质板之间的高度h为4mm。矩形贴片(1)的长度1a为39mm，宽度1b为39mm，距离上层介质基板(13)边缘的间距1c和1d都是25.5mm。矩形微带耦合贴片(2)的长度2a为2mm，宽度2b为8mm，矩形微带耦合贴片(2)距离矩形贴片(1)边缘的距离2c为5mm。矩形缝隙(18)的长度18a为3mm，宽度18b为9.2mm，并且矩形缝隙(18)的几何中心与矩形微带耦合贴片(2)的几何中心重合，矩形缝隙(18)、矩形微带耦合贴片(2)和矩形贴片(1)的对称轴为同一条水平直线，并垂直于矩形贴片(1)的边缘。

馈电探针(3)的圆心位于矩形微带耦合贴片(2)的几何中心，且位于矩形微带馈线(8)的对称轴上。馈电探针(3)的直径3a为1mm，圆心和矩形微带馈线(8)的边缘的距离3b为22.9mm。矩形微带馈线的长度8a为24.9mm，宽度8b为2mm。

发射通道馈电网络的主要尺寸4a，4b分别为8.6mm，1.75mm，5a，5b分别为17.2mm，0.5mm，6a，6b，6c，6d分别为16mm，6.5mm，2mm，0.4mm，7a，7b，7c，7d，7e分别为16mm，6.6mm，2mm，1.2mm，0.9mm。

接收通道馈电网络的主要尺寸9a，9b分别为8.5mm，1.75mm，10a，10b分别为14.3mm，0.3mm，11a，11b，11c，11d分别为14.2mm，3mm，2mm，0.4mm，12a，12b，12c，12d，12e分别为4.2mm，3.2mm，2mm，0.8mm，0.5mm。

该天线的发射端口(16)(端口1)工作在2.4GHz的频带，接收端口(17)(端口2)工作在3.05GHz的频带。在两个频带内，两个端口的隔离度均大于34dB，如图10。在天线的发射端口(16)(端口1)工作时，天线在发射端口(16)(端口1)工作频率2.4GHz处的增益为5.4dBi，对接收频带增益的抑制超过27dB，在天线的接收端口(17)(端口2)工作时，天线在接收端口(17)(端口2)工作频率3.05GHz处的增益为7.7dBi，对发射频带增益的抑制超过33dB，如图11。在该天线两个工作频带范围内，天线的增益基本上都大于5.2dBi，交叉极化大于10dB，且都是关于x方向的线极化波，如天线的仿真测试方向图12(a)、12(b)、13(a)和13(b)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

1.一种基于发卡型谐振器的滤波双工天线，其特征在于，包括上层介质基板、下层介质基板、刻有矩形缝隙的矩形贴片、矩形微带耦合贴片、馈电探针、反射地板、矩形微带馈线、发射端口、接收端口、发射通道馈电网络和接收通道馈电网络；

所述上层介质基板与下层介质基板互相平行，且相隔一定距离；

所述接收通道馈电网络包括第二微带馈线、第二微带耦合线、接收通道第三发卡型谐振器和接收通道第四发卡型谐振器；

2.根据权利要求1所述的一种基于发卡型谐振器的滤波双工天线，其特征在于，所述矩形微带耦合贴片位于矩形缝隙的内部；所述矩形微带耦合贴片的几何中心与矩形缝隙的几何中心重合；所述矩形微带耦合贴片垂直于较长边的对称轴、矩形缝隙垂直于较长边的对称轴以及矩形贴片的水平方向的对称轴位于同一条水平直线上。

3.根据权利要求1所述的一种基于发卡型谐振器的滤波双工天线，其特征在于，所述矩形微带馈线和反射地板的对称轴位于同一条水平直线上，且该水平直线垂直于反射地板的边缘；所述发射通道馈电网络和接收通道馈电网络分布在矩形微带馈线的两侧。

4.根据权利要求1所述的一种基于发卡型谐振器的滤波双工天线，其特征在于，馈电探针位于矩形微带耦合贴片的几何中心且在矩形微带馈线的对称轴上。

5.根据权利要求1所述的一种基于发卡型谐振器的滤波双工天线，其特征在于，第一微带耦合线和发射通道第一发卡型谐振器之间存在耦合间隙，发射通道第一发卡型谐振器和发射通道第二发卡型谐振器之间存在耦合间隙，发射通道第二发卡型谐振器和矩形微带馈线之间存在耦合间隙，且上述间隙均可调。

6.根据权利要求1所述的一种基于发卡型谐振器的滤波双工天线，其特征在于，第二微带耦合线和接收通道第三发卡型谐振器之间存在耦合间隙，接收通道第三发卡型谐振器和接收通道第四发卡型谐振器之间存在耦合间隙，接收通道第四发卡型谐振器和矩形微带馈线之间存在耦合间隙，且上述间隙均可调。