CN101719594A - 一种带谐波抑制功能的差分馈电半波长天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带谐波抑制功能的差分馈电半波长天线，在差分馈电半波长天线的两个馈电点的对称线上设有两匹配衰减网络，两匹配衰减网络分别与上层辐射贴片横边连接；在上层辐射贴片两横边的外侧0.2-0.8mm，距离天线两个馈电点的对称线距离为L/3处设有四个矩形互补开口谐振环，其中L是半个波长的长度，

，c是自由空间的光速，ε_eff是差分馈电半波长天线的有效介电常数，f为差分馈电半波长天线的工作频率。匹配衰减网络用于吸收二次谐波的能量，矩形互补开口谐振环用于抑制三次谐波。本发明天线的谐波可被抑制，而基波频率特性受到的影响极小。本发明还具有体积小、加工容易，成本低等特点。

Description

一种带谐波抑制功能的差分馈电半波长天线

技术领域

本发明涉及一种微波天线，特别是涉及一种带谐波抑制功能的差分馈电半波长天线，可应用于移动通信、卫星通信、微波通信以及无线传感器网络等领域。

背景技术

近年来，无线通信***对天线的要求越来越苛刻。微带天线因为尺寸小、质量轻、性能优越、价格低廉和制造容易等优点成为卫星通信及无线移动通信关注的焦点，用于接受空中的无线信号或者发射与之相连的射频有源电路馈入的信号。在有源射频电路中，差分电路由于具有低噪声、高线性和大动态范围等众多优点，因此在射频集成电路(RFIC)和单片微波集成电路(MMIC)中被广泛应用。在差分电路***中，天线也要求是差分输入或输出，以便于更好的与差分电路实现集成。此外，有源电路会产生谐波信号，当有源器件和天线相连时，其产生的谐波信号会与有用信号一起被天线发射出去，从而对其他***造成影响和干扰，因此很有必要设计一种带谐波辐射抑制功能的差分天线。

差分馈电天线是指采用一对信号等幅反相的端口来对天线进行馈电的一类天线。差分馈电天线的实现形式很多，文献《Quan Xue，Xiu Yin Zhang，and Ching-Hong K.Chin，“ANovel Differential-Fed Patch Antenna”，IEEE antennas and wireless propagation letters，vol.5，pp.471-474，2006》提出一种差分馈电天线，包括上层辐射贴片，中间介质基板和底层金属地板，一对差分馈电的探针的一端与上层辐射贴片相连，另一端通过中间介质基板与底层金属地板的同轴馈电端口相连。文献《Xiu-Yin Zhang，Quan Xue，Bin-Jie Hu，and Sheng-Li Xie，“A Wideband Antenna With Dual Printed L-Probes for Cross-Polarization Suppression”，IEEEantennas and wireless propagation letters，vol.5，pp.388-390，2006》提出一种双L型探针的差分馈电天线，包括上层辐射贴片、探针层和底层金属地板，上层辐射贴片和探针层之间设有第一介质基板，探针层和底层金属地板之间设有第二介质基板，双L型馈电探针的一端与探针层相连，通过耦合的方式对上层辐射贴片进行馈电，另一端通过介质基板与底层金属地板的同轴馈电端口相连，等幅反相的差分信号由这两个端口馈入。

在无线通信***中，最简单的抑制谐波的方法是直接在功率放大器与天线之间增加滤波器来抑制谐波干扰。然而，这种方法会引入额外的损耗，同时也会增加体积和成本。为了解决这一问题，Sewoong Kwon在《A Harmonic Suppression Antenna for an Active IntegratedAntenna》(IEEE Microwave And Wireless Components，Vol.13，No.2，pp.54-56，February 2003)一文中提出在矩形微带天线贴片上加上一个短路钉和多个开槽来实现谐波抑制功能；MengHou在《A H-shaped Harmonic Suppression Active Integrated Antenna》(2005Asia-PacificConference Proceedings，Volume 5，4-7Dec.2005Page(s)：4)一文中利用H型微带天线来实现谐波信号抑制。上述方法均是改变谐波频率使之偏离基波频率的整数倍，但谐波信号的能量同样会被天线辐射出去；Y.J.Sung在《An Improved Design of Microstrip Patch AntennasUsing Photonic Bandgap Structure》(IEEE Transactions On Antennas AndPropagation，Vol.53，No.5，pp1799-1804，May 2005)一文中提出一种基于PBG结构的微带天线，把谐波信号从天线的输入端口反射回去，但PBG结构会引入额外的插损，从而降低了天线的增益和效率，并且如Hyungrak在《Microstrip-Fed Slot Antennas With SuppressedHarmonics》(IEEE Transactions On Antennas And Propagation，Vol.53，No.9，pp2809-2817，May2005)一文中指出，上述设计并不能在谐波带宽中提供充分的抑制。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种谐波可以被抑制，而基波频率特性不受影响的差分馈电半波长天线。

本发明在差分馈电半波长天线的两个馈电点的对称线上进行匹配衰减网络的加载，并在半波长谐振器三次谐波电流的最大处加载矩形互补开口谐振环(CSRR)。采用该方法，谐波可以被抑制，而基波频率特性受到的影响极小。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种带谐波抑制功能的差分馈电半波长天线：在差分馈电半波长天线的两个馈电点的对称线上设有两匹配衰减网络，两匹配衰减网络分别与上层辐射贴片横边连接；在上层辐射贴片两横边的外侧0.2-0.8mm，距离天线两个馈电点的对称线距离为L/3处设有四个矩形互补开口谐振环，其中L是半个波长的长度，

c是自由空间的光速，ε_eff是差分馈电半波长天线的有效介电常数，f为差分馈电半波长天线的工作频率，即基波谐振频率；矩形互补开口谐振环由细金属带构成。

为进一步实现本发明目的，所述的匹配衰减网络包括电容和电阻，电容与电阻串接，电容连接上层辐射贴片横边，电阻的末端接地；电容和电阻的取值根据匹配衰减网络的阻抗Z′_in与匹配衰减网络加载点和天线底层金属地板之间的阻抗Z_in共轭的要求调整，电容用于阻止基波信号通过；电阻阻值大小与匹配衰减网络的加载点和天线底层金属地板之间的阻抗Z_in的实部相等。

所述的匹配衰减网络包括电容、电感和电阻；电容与电阻串接，电容连接上层辐射贴片横边，电阻的末端接地；电感连接在电容与电阻连线上，电感的末端接地；电容、电感和电阻的取值根据匹配衰减网络的阻抗Z′_in与匹配衰减网络加载点和天线底层金属地板之间的阻抗Z_in共轭的要求调整，电容用于阻止基波信号通过，阻抗Z_in与电容的阻抗之和的虚部等于电感的电感大小；电阻阻值大小等于匹配衰减网络的加载点和天线底层金属地板之间的阻抗Z_in的实部大小。

所述的差分馈电天线包括上层辐射贴片，中间介质基板和底层金属地板；两探针位于上层辐射贴片纵边中线上，靠近两纵边，馈电探针的一端与上层辐射贴片相连，另一端通过中间介质基板与底层金属地板的同轴馈电端口相连。

所述的差分馈电天线包括上层辐射贴片、第一介质基板、探针层、第二介质基板和底层金属地板；上层辐射贴片和探针层之间设有第一介质基板，探针层和底层金属地板之间设有第二介质基板；两探针位于第二介质基板纵边中线上，馈电探针的一端与探针层相连，通过耦合的方式对上层辐射贴片进行馈电，另一端通过介质基板与底层金属地板的同轴馈电端口相连。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：

(1)在差分馈电半波长天线两个馈电点的对称线上加载匹配衰减网络，匹配衰减网络在基波频率上呈现高阻抗，阻止基波信号进入该网络；而在二次谐波频率上该网络与匹配衰减网络加载点和天线底层金属地板之间的阻抗Z_in共轭匹配，从而令二次谐波信号能量进入匹配网络并且被吸收，不仅可抑制二次谐波，而且可减少反射信号对有源电路的干扰，并且对基波频率上天线的特性影响极小。此外，电路结构简单，尺寸小，成本低廉，加工容易。

(2)在差分馈电半波长天线三次谐波电流最大处加载矩形互补开口谐振环(CSRR)，互补开口谐振环谐振在三次谐波频率上，因而能有效抑制三次谐波，从而阻止三次谐波信号的辐射，且对天线基波频率特性的影响非常小。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例1的俯视图；

图3是本发明实施例1的剖视图；

图4是本发明实施例2的结构示意图；

图5是本发明实施例2的俯视图；

图6是本发明实施例2的剖视图。

具体实施方案

下面结合附图和实施例对本发明作详细的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于下例表述的范围。

实施例1

如图1-3所示，一种差分馈电半波长天线，包括上层辐射贴片1，中间介质基板2和底层金属地板3；两探针4位于上层辐射贴片1纵边中线上，靠近两纵边，馈电探针4的一端与上层辐射贴片1相连  另一端通过中间介质基板2与底层金属地板3的同轴馈电端口相连。当端口与天线匹配时，信号可以馈入天线，天线谐振把能量辐射出去。该天线通过一对平行的探针4进行馈电。在上层辐射贴片1两个馈电点4的对称线上两匹配衰减网络分别与上层辐射贴片1横边连接，两个馈电点4的对称线即为横边中线。匹配衰减网络包括电容5和电阻6，电容5与电阻6串接，电容5连接上层辐射贴片1横边，电阻6的末端接地。根据匹配衰减网络的阻抗Z′_in与匹配衰减网络加载点和天线底层金属地板之间的阻抗Z_in共轭的要求，调整电容5和电阻6的取值，电容5用于阻止基波信号通过，一般要求在基波频率上的阻抗为100ohm以上，为天线特征阻抗的2倍以上，使电容5呈现高阻抗；在二次谐波频率上的阻抗为20ohm以下，为天线特征阻抗的一半以下，使电容5呈现低阻抗；电阻6阻值大小与匹配衰减网络的加载点和天线底层金属地板之间的阻抗Z_in的实部相等。匹配衰减网络的加载点和天线底层金属地板之间的阻抗Z_in的实部就是匹配衰减网络加载点和天线底层金属地板之间的电阻。这时匹配衰减网络与天线达到匹配状态，可减少反射信号对有源电路的干扰。另一方面，在上层辐射贴片1两个馈电点4的对称线上，天线在基波频率上的电压为零，而在二次谐波频率上电压最大。电容5在基波频率上呈现高阻抗，阻止基波信号的通过，而在二次谐波频率上的阻抗较小，可使二次谐波信号通过，其能量会被电阻6吸收，从而实现二次谐波的抑制。

在上层辐射贴片1两横边的外侧0.2-0.8mm，距离天线两个馈电点4的对称线距离为L/3处设有四个矩形互补开口谐振环7，其中L是半个波长的长度，

c是自由空间的光速，ε_eff是有效介电常数，f为天线的工作频率，即基波谐振频率；矩形互补开口谐振环7由细金属带构成。在矩形互补开口谐振环7所在位置天线三次谐波的电压为零，电流最大，而在对应的矩形互补开口谐振环7上，电流也是最大，因而该位置是矩形互补开口谐振环7与上层辐射贴片1的磁耦合最强点，在三次谐波频率上形成一种带陷结构，能有效抑制三次谐波。同时该位置天线基波频率上的电压接近最大，而电流接近于零。另一方面，矩形互补开口谐振环7只是谐振在三次谐波上，所以在基波频率上，矩形互补开口谐振环7和上层辐射贴片1之间的相互作用十分微弱，矩形互补开口谐振环7对基波频率上的上层辐射贴片1的影响很小，因而矩形互补开口谐振环7对天线基波频率特性的影响可忽略不计。

实施例2

如图4-6所示，一种典型的带谐波辐射抑制功能的差分馈电半波长天线，包括上层辐射贴片1，第一介质基板4、探针层2、第二介质基板5和底层金属地板3；上层辐射贴片1和探针层2之间设有第一介质基板4，探针层2和底层金属地板3之间设有第二介质基板5；两探针4位于第二介质基板5纵边中线上，馈电探针10的一端与探针层2相连，通过耦合的方式对上层辐射贴片1进行馈电，另一端通过介质基板5与底层金属地板3的同轴馈电端口相连。当端口与天线匹配时，信号可以馈入天线，天线谐振把能量辐射出去。在两个馈电点4的对称线上相对于上层辐射贴片1对称设有两匹配衰减网络，两匹配衰减网络分别与上层辐射贴片1横边连接，两个馈电点4的对称线即为上层辐射贴片1横边中线。匹配衰减网络包括电容6、电感7和电阻8；电容6与电阻8串接，电容6连接上层辐射贴片1横边，电阻8的末端接地；电感7连接在电容6与电阻8连线上，电感7的末端接地。根据匹配衰减网络的阻抗Z′_in与匹配衰减网络加载点和天线底层金属地板之间的阻抗Z_in共轭的要求，调整电容6、电感7和电阻8的取值，电容6用于阻止基波信号通过，一般要求在基波频率上的阻抗为100ohm以上，为天线特征阻抗的2倍以上，使电容6呈现高阻抗；在二次谐波频率上的阻抗为20ohm以下，为天线特征阻抗的一半以下，使电容6呈现低阻抗；阻抗Z_in与电容6的阻抗之和的虚部等于电感7的电感大小(二者大小相等，符号相反)；阻抗Z_in为匹配衰减网络加载点和天线底层金属地板之间的阻抗。电阻8阻值大小等于匹配衰减网络的加载点和天线底层金属地板之间的阻抗Z_in的实部。匹配衰减网络的加载点和天线底层金属地板之间的阻抗Z_in的实部就是匹配衰减网络加载点和天线底层金属地板之间的电阻。这时匹配衰减网络与天线达到匹配状态，可减少反射信号对有源电路的干扰。另一方面，在两个馈电点10的对称线上，上层辐射贴片1在基波频率上的电压为零，而在二次谐波频率上电压最大。电容6和电感7在基波频率上为高阻抗，阻止基波信号的通过，而在二次谐波频率上的阻抗较小，可使二次谐波信号通过，其能量会被电阻8吸收，从而实现二次谐波的抑制。

在上层辐射贴片1两横边的外侧0.2-0.8mm，距离天线两个馈电点10的对称线距离为L/3处设有四个矩形互补开口谐振环9，其中L是半个波长的长度，

c是自由空间的光速，ε_eff是有效介电常数，f为天线的工作频率，即基波谐振频率；矩形互补开口谐振环9由细金属带构成。在矩形互补开口谐振环9所在位置天线三次谐波的电压为零，而电流最大，而在对应的矩形互补开口谐振环9上，电流也是最大，因而该点是矩形互补开口谐振环9与上层辐射贴片1的磁耦合最强点，在三次谐波频率上形成一种带陷结构，能有效抑制三次谐波。同时此处天线基波频率上的电压接近最大，而电流接近于零。另一方面，矩形互补开口谐振环9只是谐振在三次谐波上，所以在基波频率上，矩形互补开口谐振环9和上层辐射贴片1之间的相互作用十分微弱，矩形互补开口谐振环9对基波频率上的上层辐射贴片1的影响很小，因而矩形互补开口谐振环9对天线基波频率特性的影响可忽略不计。

实施例2的匹配衰减网络结构可以用于实施例1，也就是在实施例的匹配衰减网络中增加电感7。同样，实施例1的匹配衰减网络结构可以用于实施例2。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方案，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种带谐波抑制功能的差分馈电半波长天线，其特征在于，在差分馈电半波长天线的两个馈电点的对称线上设有两匹配衰减网络，两匹配衰减网络分别与上层辐射贴片横边连接；在上层辐射贴片两横边的外侧0.2-0.8mm，距离天线两个馈电点的对称线距离为L/3处设有四个矩形互补开口谐振环，其中L是半个波长的长度， $L=\frac{c}{2f\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}}},$ c是自由空间的光速，ε_eff是差分馈电半波长天线的有效介电常数，f为差分馈电半波长天线的工作频率，即基波谐振频率；矩形互补开口谐振环由细金属带构成。

2.根据权利要求1所述的带谐波抑制功能的差分馈电半波长天线，其特征在于，所述的匹配衰减网络包括电容和电阻，电容与电阻串接，电容连接上层辐射贴片横边，电阻的末端接地；电容和电阻的取值根据匹配衰减网络的阻抗Z′_in与匹配衰减网络加载点和天线底层金属地板之间的阻抗Z_in共轭的要求调整，电容用于阻止基波信号通过；电阻阻值大小与匹配衰减网络的加载点和天线底层金属地板之间的阻抗Z_in的实部相等。

3.根据权利要求1所述的带谐波抑制功能的差分馈电半波长天线，其特征在于，所述的匹配衰减网络包括电容、电感和电阻；电容与电阻串接，电容连接上层辐射贴片横边，电阻的末端接地；电感连接在电容与电阻连线上，电感的末端接地；电容、电感和电阻的取值根据匹配衰减网络的阻抗Z′_in与匹配衰减网络加载点和天线底层金属地板之间的阻抗Z_in共轭的要求调整，电容用于阻止基波信号通过，阻抗Z_in与电容的阻抗之和的虚部等于电感的电感大小；电阻阻值大小等于匹配衰减网络的加载点和天线底层金属地板之间的阻抗Z_in的实部大小。

4.根据权利要求1-3任一项所述的带谐波抑制功能的差分馈电半波长天线，其特征在于，所述的差分馈电天线包括上层辐射贴片，中间介质基板和底层金属地板；两探针位于上层辐射贴片纵边中线上，靠近两纵边，馈电探针的一端与上层辐射贴片相连，另一端通过中间介质基板与底层金属地板的同轴馈电端口相连。

5.根据权利要求1-3任一项所述的带谐波抑制功能的差分馈电半波长天线，其特征在于，所述的差分馈电天线包括上层辐射贴片、第一介质基板、探针层、第二介质基板和底层金属地板；上层辐射贴片和探针层之间设有第一介质基板，探针层和底层金属地板之间设有第二介质基板；两探针位于第二介质基板纵边中线上，馈电探针的一端与探针层相连，通过耦合的方式对上层辐射贴片进行馈电，另一端通过介质基板与底层金属地板的同轴馈电端口相连。

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