CN102361167A - 垂直极化全向印刷滤波天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种垂直极化全向印刷滤波天线，采用印刷电路板(PCB)工艺制作，从下到上依次为下表面金属层、介质层和上表面金属层；在所述上表面金属层的一端设有微带线，所述微带线通过微带渐变线和SIW传输线连接，所述SIW传输线通过渐变型印刷平行双线和第一串馈微带贴片阵列连接；在所述下表面金属层设有第二串馈微带贴片阵列。本发明垂直极化全向印刷滤波天线易于制作、加工精度高，在较高频率，例如Ku波段，尤其适用。

Description

垂直极化全向印刷滤波天线
技术领域
本发明属于通信技术应用领域，具体涉及一种垂直极化全向印刷滤波天线。
背景技术
近年来，无线通信技术得到了快速发展，并获得了广泛应用。天线是无线通信***的关键部件，其中全向天线具有各向辐射特性相似的特点。现代通信***要求低成本、易制作、易于与其他微波射频平面电路集成的天线。目前低频通信已经趋向饱和，于是，高频段、全向辐射、易制作、易集成的天线成为新的研究热点之一。
垂直极化全向辐射单元可以采用偶极子实现，单个偶极子辐射增益有限，可以采用串馈阵列或者并馈阵列提高辐射增益。但是在较高频段，非平面结构的偶极子在加工方面难度高、复杂度高。平面结构的偶极子阵列需采用功率分配器进行馈电，同一个阵列中的辐射单元数目越多，馈电网络就越复杂。同时，随着频率的提高，比如在Ku波段，复杂的馈电网络又会带来损耗大，寄生辐射强等问题。
发明内容
发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种垂直极化全向印刷滤波天线，该天线易于制作、加工精度高，在较高频率，例如Ku波段(12.4GHz-18GHz)，尤其适用。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种垂直极化全向印刷滤波天线，具有垂直极化全向辐射特性。滤波天线的辐射单元采用串馈微带贴片阵列，微带贴片的数目将直接决定滤波天线的辐射增益，微带贴片数目越多，滤波天线增益越高，串馈微带贴片阵列具有垂直极化全向辐射特性，并且交叉极化特性良好。滤波天线的滤波器部分采用SIW(Substrate IntegratedWaveguide，基片集成波导)感性窗口滤波器。辐射单元和滤波器部分都为平面结构，可以采用标准的PCB工艺制作，易实现、易集成、精度高、成本低，特别在高频段，例如Ku波段，可以有效解决电路尺寸小、制作难的问题。滤波天线对工作频带外信号具有良好的抑制效果。
具有垂直极化全向辐射特性的印刷滤波天线为三层结构，中间是介质层，正面是上表面金属层，背面是下表面金属层，外形为长方形；在上表面金属层的一端连接有微带线，微带线通过微带渐变线和SIW传输线相连接；SIW传输线是由两排相距一定距离(SIW传输线宽度)的、上表面金属层与下表面金属层之间的、穿过介质层的金属化通孔构成；在SIW传输线上，设有由金属化通孔构成的SIW感性窗口滤波器的耦合窗口和谐振腔；SIW传输线通过渐变型印刷平行双线和串馈微带贴片阵列连接；串馈微带贴片阵列的金属贴片交叉地印刷在介质层的上表面和下表面；同表面的相邻金属贴片由金属连接线连接。
有益效果：本发明基于印刷PCB工艺，采用具有垂直极化全向辐射特性的辐射单元和基于SIW技术的滤波器结构，设计出垂直极化全向印刷滤波天线。SIW感性窗口滤波器和辐射单元协同工作，只有通过SIW滤波器的信号才能激励辐射单元。SIW感性窗口滤波器作为射频前端滤波器和辐射单元直接相连，可以避免通用的电缆连接带来的损耗。
SIW损耗小、寄生辐射极低、呈平面结构、易于采用标准PCB工艺加工，串馈微带贴片阵列同样易于采用标准PCB工艺加工。整个垂直极化全向印刷滤波天线易与其他微波射频电路集成。采用PCB工艺制作的垂直极化全向印刷滤波天线，加工精度高，在高频段，例如Ku波段，可以有效解决电路尺寸小、制作难的问题，同时加工成本低、易于批量生产。
垂直极化全向印刷滤波天线，可以很好的滤除工作频带外杂散信号，有效改善单独天线的输入端反射系数，同时保持天线的辐射特性不变。滤波天线具有垂直极化全向辐射特性，垂直极化天线不易产生极化电流，可以有效避免能量衰减，确保信号传播；全向天线具有各向辐射相似的特点；改变金属贴片数目，可改变天线增益，简单易行。
垂直极化全向印刷滤波天线是一种平面天线，在组成多输入多输出(MIMO)阵列时，多个滤波天线可以集成在同一块介质基板(即介质层)上，可以保证整个阵列的一致性。
在高频段，例如在Ku频段，由SIW滤波器和串馈印刷微带贴片构成的垂直极化全向印刷滤波天线，寄生辐射弱、交叉极化特性良好。
附图说明
图1(a)为串馈印刷微带贴片天线上表面金属层结构示意图；
图1(b)为串馈印刷微带贴片天线下表面金属层结构示意图；
图2(a)为垂直极化全向印刷滤波天线上表面金属层结构示意图；
图2(b)为垂直极化全向印刷滤波天线下表面金属层结构示意图；
图3为实施例中工作在14.4GHz附近的串馈印刷微带贴片天线和垂直极化全向印刷滤波天线输入端反射系数测试结果；
图4为实施例中工作在14.4GHz附近的串馈印刷微带贴片天线和垂直极化全向印刷滤波天线E面辐射方向图测试结果；
图5为实施例中工作在14.4GHz附近的串馈印刷微带贴片天线和垂直极化全向印刷滤波天线H面辐射方向图测试结果。
图中，1.上表面金属层，2.下表面金属层，3.金属贴片，4.金属连接线，5.微带渐变线，6.微带线，7.渐变型印刷平行双线，8.金属化通孔，9.SIW感性窗口滤波器的耦合窗口，10.SIW感性窗口滤波器谐振腔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
垂直极化全向印刷滤波天线，是将SIW滤波器和具有垂直极化全向辐射特性的辐射单元联合设计、制作在一块介质基板上。实施例中的滤波天线工作在Ku波段，辐射单元为串馈微带贴片阵列，该阵列中的金属贴片交叉地印刷在介质基板的上、下表面，共10个金属贴片，每个表面上有5个金属贴片，同表面上相邻的金属贴片通过金属连接线连接；实施例中，滤波器部分采用SIW三阶感性窗口滤波器。
实施例中，如图1和图2中的天线均采用特性阻抗为50欧姆微带线作为馈电端口。图1中，50欧姆微带线输入端口和金属贴片之间通过微带渐变线连接，然后为金属贴片馈电。图2中，50欧姆微带线输入端口和SIW传输线之间通过微带渐变线连接，SIW传输线是由上表面金属层与下表面金属层之间的、穿过介质层的金属化通孔构成；在SIW传输线上，有由金属化通孔构成的SIW感性窗口滤波器的耦合窗口，SIW传输线通过渐变型印刷平行双线和串馈微带贴片阵列连接。
图2中的滤波天线具有垂直极化、H面全向辐射特性。
按照图1和图2结构制作了工作在14.4GHz的串馈印刷微带贴片天线和垂直极化全向印刷滤波天线。天线采用PCB工艺制作在介质基片上。介质基片采用了厚度为1mm的介电常数为2.55的Taconic(泰康尼克)。实施例按以下尺寸在上述介质基板上制作：
实施例中工作在14.4GHz附近的串馈印刷微带贴片天线：微带线宽度为2.8mm；微带渐变线长度为3.5mm；微点渐变线窄端宽度为0.5mm；金属贴片长度为6.45mm；金属贴片宽度为2.7mm；金属连接线长度为7.45mm；金属连接线宽度为0.5mm。
实施例中工作在14.4GHz附近的垂直极化全向印刷滤波天线：微带线宽度为2.8mm；微带渐变线长度为1.5mm；微点渐变线宽端宽度为4.5mm；金属化通孔直径为0.6mm；相邻金属化通孔间距为1mm；SIW感性窗口滤波器的四个耦合窗口宽度分别为5.36mm，3.57mm，3.57mm，5.36mm；SIW感性窗口滤波器的三个谐振腔长度分别为8.59mm，9.44mm，8.59mm；渐变型印刷平行双线长度为2mm；渐变型印刷平行双线宽端宽度为2mm；渐变型印刷平行双线窄端宽度为0.5mm；金属贴片长度为6.45mm；金属贴片宽度为2.7mm；金属连接线长度为7.65mm；金属连接线宽度为0.5mm。
图3为实施例中工作在14.4GHz附近的串馈印刷微带贴片天线和垂直极化全向印刷滤波天线输入端反射系数测试结果(图中虚线所示的“天线”为串馈印刷微带贴片天线，实线所示的“滤波天线”为垂直极化全向印刷滤波天线，下同)，可以看到滤波天线有效滤除了带外杂散信号；图4为实施例中在14.4GHz上串馈印刷微带贴片天线和垂直极化全向印刷滤波天线E面辐射方向图测试结果；图5为实施例中在14.4GHz上串馈印刷微带贴片天线和垂直极化全向印刷滤波天线H面辐射方向图测试结果。图4和图5表明滤波天线有效保持了辐射单元的辐射特性。

Claims (6)

1.一种垂直极化全向印刷滤波天线，其特征在于：从下到上依次为下表面金属层、介质层和上表面金属层；在所述上表面金属层的一端设有微带线，所述微带线通过微带渐变线和SIW传输线连接，所述SIW传输线通过渐变型印刷平行双线和第一串馈微带贴片阵列连接；在所述下表面金属层设有第二串馈微带贴片阵列。
2.根据权利要求1所述垂直极化全向印刷滤波天线，其特征在于：所述SIW传输线为所述上表面金属层与下表面金属层之间的、穿过所述介质层的两排金属化通孔。
3.根据权利要求1所述垂直极化全向印刷滤波天线，其特征在于：在所述SIW传输线上，设有由金属化通孔构成的SIW感性窗口滤波器的耦合窗口和谐振腔。
4.根据权利要求1所述垂直极化全向印刷滤波天线，其特征在于：所述第一串馈微带贴片阵列和第二串馈微带贴片阵列分别包括多个金属贴片，相邻所述金属贴片由金属连接线连接。
5.根据权利要求4所述垂直极化全向印刷滤波天线，其特征在于：所述第一串馈微带贴片阵列和第二串馈微带贴片阵列分别包括5个金属贴片。
6.根据权利要求4所述垂直极化全向印刷滤波天线，其特征在于：所述第一串馈微带贴片阵列的金属贴片和第二串馈微带贴片阵列的金属贴片交叉地印刷在上表面金属层和下表面金属层。
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