CN210430100U - 一种具有ct耦合结构的滤波贴片天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种具有CT耦合结构的滤波贴片天线，所述的滤波贴片天线包含两层介质板，第一介质板1上表面为天线与耦合电路的公共接地板4，且在接地板4上设置一个矩形耦合孔径7用于第一介质板1下表面的耦合电路与第二介质板2上层矩形贴片之间的耦合，第一介质板1下表面的耦合电路由第一阶谐振器10、第二阶谐振器11、馈线9以及输入端口8共同构成。第二介质板2上表面为矩形贴片12，下表面的铜被腐蚀去除；两介质板之间设置有空气层6。本实用新型在其通带范围内具有较好的阻抗匹配、高带外抑制与高选择性，增益曲线平坦，同时其加工工艺简单、成本较低，有较好的应用前景。
Description
技术领域
本实用新型涉及天线技术领域，具体涉及一种具有CT(Cascaded Triplet)耦合结构的滤波贴片天线。
背景技术
近年来无线通信技术迅速发展，随着第五代移动通信技术日益成熟并将在2020年前后正式投入商用，对系统通信容量和传输速率的要求也变得更高。贴片天线由于其重量轻、体积小、易共形、易加工、成本低等优点被广泛应用到无线通讯系统中。在实际应用的系统射频前端的滤波器加天线的结构较为复杂臃肿。对于贴片天线的改良，很多学者通过不断地研究和改进其特性，提出了许多贴片天线的优化方法。然而有些方法会导致效率降低、增益下降、方向图不稳定等问题。
对现有技术进行调查了解，目前滤波天线的设计方法主要有两种，具体如下：
第一种方法是在天线结构上引入寄生单元或者在端口处引入带阻结构，以此在增益的频率曲线上形成多个辐射零点，在该点，天线在主辐射方向上的辐射被大大抑制，从而实现了增益的选择性，达到滤波效果。
在第二种设计方法中，天线通常被当作一个具有辐射功能的谐振器，它不仅具有将能量辐射出去的作用，还充当滤波电路的最后一阶谐振器，来形成所需要的滤波响应。
总的来说，现有的工作中，已有不少相关的研究，但是很多设计会引入额外的损耗，使得效率变低；又或是馈电网络过于复杂从而增加了设计的难度。因此，设计一款简单的滤波贴片天线具有重要意义。
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，提供一种具有CT耦合结构的滤波贴片天线。本实用新型的天线单元的中心频率为3.50GHz，在3.40-3.58GHz的频率范围内S11<-10dB，而且在其通带范围内的增益最高可达6.67dBi。整个天线结构较为简单而且加工方便、成本低。
本实用新型的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种具有CT耦合结构的滤波贴片天线，所述的滤波贴片天线包括第一介质板1、第二介质板2以及位于第一介质板1与第二介质板2之间的空气层6；
其中，所述的第一介质板1上表面设置有接地板4，所述的第一介质板1下表面设置有第一覆铜层3，所述的第一覆铜层3上刻蚀有第一阶谐振器10、第二阶谐振器11和馈线9，所述的接地板4上设置有耦合孔径7，第一介质板上表面与下表面的覆铜层之间设置有输入端口8；
所述的第二介质板2上表面设置有第二覆铜层5，第二覆铜层5上刻蚀有作为天线的矩形贴片12；
其中，所述的馈线9与输入端口8直接相连，所述的馈线9、第一阶谐振器10、第二阶谐振器11竖直设置在一条直线上，互不相连；所述的馈线9、第一阶谐振器10以及第一阶谐振器10、第二阶谐振器11之间有耦合间隙，信号通过耦合间隙进行耦合传播；所述的耦合孔径7设置在第一阶谐振器10、第二阶谐振器11上方。
进一步地，输入信号由所述的输入端口8输入，经过相连的馈线9之后，依次经过第一阶谐振器10、第二阶谐振器11、耦合孔径7耦合传播，最后，由耦合孔径7耦合传播到矩形贴片12进行天线辐射传播。
进一步地，所述的馈线9呈L型结构。
进一步地，所述的第一阶谐振器10、第二阶谐振器11为U型结构，开口方向一致。
进一步地，所述的矩形贴片12位于所述的耦合孔径7的上方。
进一步地，通过调节馈线9、第一阶谐振器10、第二阶谐振器11相互之间耦合间隙的宽度、长度，对各个单元之间的耦合度进行调节。
进一步地，通过调节第一阶谐振器10、第二阶谐振器11的长度，分别调节谐振器在各自谐振频率处的阻抗匹配效果。
进一步地，所述的第一阶谐振器10与第二阶谐振器11均为半波长谐振器。
进一步地，所述的第一介质板1、第二介质板2、空气层6的厚度均为mm级；并且空气层6的厚度大于第一介质板1、第二介质板2的厚度。
本实用新型相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、本实用新型提出的具有CT耦合结构的滤波贴片天线在中心频率3.5GHz处展现出很好的边射辐射特性。
2、本实用新型提出的具有CT耦合结构的滤波贴片天线在其通带范围内的增益曲线平坦，最高可达6.67dBi。
3、本实用新型提出的具有CT耦合结构的滤波贴片天线在其通带范围内具有良好的阻抗匹配、高带外抑制和高选择性。
4、本实用新型提出的具有CT耦合结构的滤波贴片天线，设计过程简单，加工容易，重量轻，成本低，具有很好的应用前景。
附图说明
图1是本实用新型公开的一种具有CT耦合结构的滤波贴片天线的3D结构图；
图2是本实用新型公开的一种具有CT耦合结构的滤波贴片天线的介质结构图；
图3是本实用新型公开的一种具有CT耦合结构的滤波贴片天线的矩形贴片结构图；
图4是本实用新型公开的一种具有CT耦合结构的滤波贴片天线的耦合孔径、微带谐振器与馈线结构图；
图5是本实用新型公开的一种具有CT耦合结构的滤波贴片天线的反射系数和增益仿真的测试结果图；
图6是本实用新型公开的一种具有CT耦合结构的滤波贴片天线的E-面辐射方向图；
图7是本实用新型公开的一种具有CT耦合结构的滤波贴片天线的H-面辐射方向图；
其中，1-第一介质板，2-第二介质板，3-位于第一介质板下表面的第一覆铜层，4-位于第一介质板上表面的接地板，5-位于第二介质板上表面的用于放置天线的第二覆铜层，6-位于第一介质板和第二介质板之间的空气层，7-位于接地板上的耦合孔径，8-输入端口，9-位于第一覆铜层的馈线，10-位于第一覆铜层的第一阶谐振器，11-位于第一覆铜层的第二阶谐振器，12-位于第二覆铜层的矩形贴片。
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
如图1所示，显示了本实用新型的一种具有CT耦合结构的滤波贴片天线的3D结构图。其中馈线9，第一阶谐振器10，第二阶谐振器11这三个部分均位于第一覆铜层3，矩形贴片12位于第二覆铜层5，第一覆铜层3与第二覆铜层5未在该图中标出。该天线使用双层结构，作为辐射源的矩形贴片放置于位于上层介质板的上表面，滤波电路放置于下层介质板的下表面，这样的设置以稍微增加竖直方向的尺寸作为代价，极大地减小了水平方向的尺寸，有利于天线整体的小型化。
如图2、3、4所示，本实施例公开了一种具有CT耦合结构的滤波贴片天线，包括第一介质板1、第二介质板2以及位于第一介质板1与第二介质板2之间的空气层6。
其中，第一介质板1上表面设置有接地板4，第一介质板1下表面设置有第一覆铜层3，第一覆铜层3上刻蚀有第一阶谐振器10、第二阶谐振器11和馈线9，接地板4上设置有耦合孔径7，第一介质板上表面与下表面的覆铜层之间设置有输入端口8。
其中，第二介质板2上表面设置有第二覆铜层5，第二覆铜层5上刻蚀有作为天线的矩形贴片12。
其中，馈线9与输入端口8直接相连，第一阶谐振器10、第二阶谐振器11为U型结构，开口方向一致。这种滤波电路会在通带的高频侧引入零点。调节第二阶谐振器11的开口方向，即改变第一阶谐振器10与第二阶谐振器11之间的耦合结构，可以使零点位置改变。
馈线9、第一阶谐振器10、第二阶谐振器11竖直设置在一条直线上，互不相连，馈线9、第一阶谐振器10以及第一阶谐振器10、第二阶谐振器11之间有耦合间隙，信号通过耦合间隙进行耦合传播。其中，第一阶谐振器10、第二阶谐振器11竖直设置在同一条直线上以实现两者之间的磁耦合。耦合孔径7设置在第一阶谐振器10、第二阶谐振器11上方，互相之间无物理连接，这样可以实现第一阶谐振器10与矩形贴片12之间的交叉耦合，以及第二阶谐振器11与矩形贴片12之间的主耦合。
输入信号由输入端口8输入，经过相连的馈线9之后，依次经过第一阶谐振器10、第二阶谐振器11、耦合孔径7耦合传播，最后，由耦合孔径7耦合传播到矩形贴片12进行天线辐射传播，其中，矩形贴片12可以视为第三阶谐振器。
本实施例设计中第一介质板1、第二介质板2的介电常数均为2.55，损耗角正切为0.0029。第一介质板1和第二介质板2的厚度均为0.8mm；空气层6的厚度为1.0mm。
参见图2所示，显示了本实施例中一种具有CT耦合结构的滤波贴片天线的介质结构图，整个天线由两层介质板和一层空气层组成。空气层可以降低介质的等效介电常数，主要是为了提高天线的增益和带宽。
参见图3所示，显示了本实施例中一种具有CT耦合结构的滤波贴片天线的矩形贴片的模型图，矩形贴片12作为整个天线单元的主要辐射源。矩形贴片位于耦合孔径7正上方，该矩形贴片既可以作为有较高效率的辐射源，亦能实现第三阶谐振器的功能；同时，这种形状的贴片能够在较大程度上降低设计与加工的难度。
参见图4所示，显示了本实施例中一种具有CT耦合结构的滤波贴片天线的馈电结构及滤波电路。第一阶谐振器10与第二阶谐振器11均通过耦合孔径7与作为第三阶谐振器的矩形贴片12进行耦合。输入端口8与馈线9直接相连，通过对输入端口8对整个天线进行馈电。
馈线9、第一阶谐振器10、第二阶谐振器11相互之间无物理连接，通过间隙耦合连接。调节馈线9、第一阶谐振器10、第二阶谐振器11之间耦合间隙的宽度、长度，可以对各个单元之间的耦合度进行调节以符合设计要求。调节第一阶谐振器10、第二阶谐振器11的长度，可以分别调节谐振器在各自谐振频率处的阻抗匹配效果，可以根据实际的设计要求进行适当的调节。
在矩形贴片12中心位置下方对应的接地板4上设置耦合孔径7，改变了接地板4上的电流，在此位置的电流最大，使得通过耦合孔径7到矩形贴片12产生最大耦合。另一方面，在矩形贴片12中心附近的电流变化较为缓慢，因此耦合孔径7的具体位置要求并不十分严格。耦合孔径7的设置关键在于其尺寸，调节耦合孔径7的长度、宽度，可以使得矩形贴片12在其谐振频率处获得良好的阻抗匹配效果。
其中第一阶谐振器10与第二阶谐振器11均为半波长谐振器，为了使整个天线的结构更为紧凑，对第一阶谐振器10与第二阶谐振器11都进行了适当的弯折，使其呈现U型结构。并且可以看到，通过耦合孔径7，除了第一阶谐振器10与作为第三阶谐振器的矩形贴片12存在耦合之外，第二阶谐振器11与矩形贴片12之间亦存在耦合。
参见图5所示，显示了本实施例中一种具有CT耦合结构的滤波贴片天线的反射系数与增益的仿真和测试结果图。从仿真结果可以看到，S11<-10dB的频率范围为3.40-3.58GHz的频率区间；并且在在3.40-3.58GHz的频率范围内，增益平坦，保持在6.6dBi左右，最高可达6.67dBi。测试结果与仿真结果接近。
在本实施例中，对于从输入端口8经过馈线9进入到第一阶谐振器10的信号，存在两条不同的路径使其传播到矩形贴片12。其中，主路径为信号依次通过第一阶谐振器10、第二阶谐振器11后经过耦合孔径7传输到矩形贴片12，副路径为信号通过第一阶谐振器10后经过耦合孔径7传输到矩形贴片。第一阶谐振器10与第二阶谐振器11之间的耦合为磁耦合。
当通过两条不同路径的信号最终到达矩形贴片12时，两路信号之间存在180°相位差，从而会相互抵消，所以在通带的上边沿，即3.7GHz处，出现一个抑制水平达到38.8dB的零点。
在仿真及测试结果可以看出，本实施例中一种具有CT耦合结构的滤波贴片天线的反射系数曲线存在三个凹陷，这可以证实在该滤波天线中存在三个谐振器，即两个半波长微带谐振器与矩形贴片。曲线反映了天线具有三阶滤波响应，其中两个谐振频率与第一阶谐振器10和第二阶谐振器11相关，另外一个谐振频率则与矩形贴片12相关。
参见图6所示，显示了本实用新型的一种具有CT耦合结构的滤波贴片天线在中心频率处的E-面方向图。
参见图7所示，显示了本实用新型的一种具有CT耦合结构的滤波贴片天线在中心频率处的H-面方向图。
通过E-方向图与H-面方向图可以见到，在中心频率3.5GHz处，本实例中一种具有CT耦合结构的滤波贴片天线可以实现效果较好的边射辐射特性，测试结果与仿真结果吻合度较好。
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 (8)
1.一种具有CT耦合结构的滤波贴片天线，其特征在于，所述的滤波贴片天线包括第一介质板(1)、第二介质板(2)以及位于第一介质板(1)与第二介质板(2)之间的空气层(6)；
其中，所述的第一介质板(1)上表面设置有接地板4，所述的第一介质板(1)下表面设置有第一覆铜层(3)，所述的第一覆铜层(3)上刻蚀有第一阶谐振器(10)、第二阶谐振器(11)和馈线(9)，所述的接地板(4)上设置有耦合孔径(7)，第一介质板上表面与下表面的覆铜层之间设置有输入端口(8)；
所述的第二介质板(2)上表面设置有第二覆铜层(5)，第二覆铜层(5)上刻蚀有作为天线的矩形贴片(12)；
其中，所述的馈线(9)与输入端口(8)直接相连，所述的馈线(9)、第一阶谐振器(10)、第二阶谐振器(11)竖直设置在一条直线上，互不相连；所述的馈线(9)、第一阶谐振器(10)以及第一阶谐振器(10)、第二阶谐振器(11)之间有耦合间隙，信号通过耦合间隙进行耦合传播；所述的耦合孔径(7)设置在第一阶谐振器(10)、第二阶谐振器(11)上方。
2.根据权利要求1所述的一种具有CT耦合结构的滤波贴片天线，其特征在于，输入信号由所述的输入端口(8)输入，经过相连的馈线(9)之后，依次经过第一阶谐振器(10)、第二阶谐振器(11)、耦合孔径(7)耦合传播，最后，由耦合孔径(7)耦合传播到矩形贴片(12)进行天线辐射传播。
3.根据权利要求1所述的一种具有CT耦合结构的滤波贴片天线，其特征在于，所述的第一阶谐振器(10)、第二阶谐振器(11)为U型结构，开口方向一致。
4.根据权利要求1所述的一种具有CT耦合结构的滤波贴片天线，其特征在于，所述的矩形贴片(12)位于所述的耦合孔径(7)的上方。
5.根据权利要求1所述的一种具有CT耦合结构的滤波贴片天线，其特征在于，通过调节馈线(9)、第一阶谐振器(10)、第二阶谐振器(11)相互之间耦合间隙的宽度、长度，对各个单元之间的耦合度进行调节。
6.根据权利要求1所述的一种具有CT耦合结构的滤波贴片天线，其特征在于，通过调节第一阶谐振器(10)、第二阶谐振器(11)的长度，分别调节谐振器在各自谐振频率处的阻抗匹配效果。
7.根据权利要求1所述的一种具有CT耦合结构的滤波贴片天线，其特征在于，所述的第一阶谐振器(10)与第二阶谐振器(11)均为半波长谐振器。
8.根据权利要求1所述的一种具有CT耦合结构的滤波贴片天线，其特征在于，所述的第一介质板(1)、第二介质板(2)、空气层(6)的厚度均为mm级；并且空气层(6)的厚度大于第一介质板(1)、第二介质板(2)的厚度。
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