CN105591197A - 一种低剖面、宽带、高增益滤波天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种低剖面、宽带、高增益滤波天线。天线包括电磁超表面辐射体和馈电部分。所述的电磁超表面由非均匀的电小单元组成，作为高效的辐射器，增加了天线的带宽和增益。同时能够产生辐射零点，调节通带上边缘的滚降度，提高频率选择性。该天线创造性地使用分离的微带耦合缝隙馈电，并在微带和地板间引入金属过孔，保证了低频阻带良好的滤波效果，提高了通带下边沿的滚降度。本发明创造性地设计具有滤波效果的电磁超表面并将其应用到滤波天线，天线结构简单，未使用复杂的滤波电路，高度仅0.06λ0，10dB阻抗带宽28.4%，天线损耗低，效率高达95%，带内平均增益8.2dBi。带外抑制超过20dB，具有很宽的阻带。

Description

一种低剖面、宽带、高增益滤波天线
技术领域
本发明涉及无线移动通信领域的天线，特别涉及一种可应用于移动通信基站等射频终端的低剖面、宽带、高增益滤波天线。
背景技术
无线通信***中，多功能电路模块以其尺寸小、整体性能好的优势受到广泛关注。天线和滤波器是射频前端两个不可或缺的元件。通常，天线和滤波器是作为两个元件进行独立设计，然后将它们分别匹配到50Ω标准端口，再将二者级联。如此以来，使得整个模块尺寸增加，这对于空间有限的射频前端是不利的。又由于滤波器和天线的带宽往往不是完全一致的，导致滤波效果受到影响。而且滤波器的损耗又不可避免，往往导致整个模块辐射效率降低，天线的增益相对较低。为了克服这些问题，滤波器和天线集成为一个模块被提出。
现在大多数滤波器和天线的集成方案选择协同设计，在这种方案中天线和滤波器直接连接，不用再分别匹配到50Ω标准端口。协同设计减小了模块尺寸，避免了匹配到标准端口引起的损耗。虽然滤波器和天线的协同设计在一定程度上改善了模块性能，但是由于滤波器的损耗不可避免，导致天线增益相对较低。特别是对于宽带设计，需要多阶谐振器，往往导致损耗更严重。
现阶段很少有天线设计能够具有较好的滤波效果又不使用复杂的滤波电路。此外，很多应用需要滤波天线具有较宽的带宽和相对较高的增益。
发明内容
本发明克服了现有技术存在的不足，采用滤波器和天线融合设计的理论，提供一种可应用于移动通信基站等射频终端的低剖面、宽带、高增益滤波天线。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种低剖面、宽带、高增益滤波天线，其包括第一介质基板以及第一介质基板上表面蚀刻的辐射体，第一介质基板和第二介质基板之间的地板，第二介质基板以及第二介质基板下表面蚀刻的馈电微带；辐射体采用电磁超表面结构；构成电磁超表面的电单元数量为Nx×Ny，电单元按直角坐标系x，y排布，Nx,Ny分别代表直角坐标x,y方向的电单元个数，Nx取正整数，Ny取大于或等于4的偶数，y轴方向上的电单元之间大小不统一，外侧电单元比内侧电单元在y轴方向上尺寸大；对于Ny＝4时，外侧电单元的长度是内侧电单元的1～2倍；位于辐射体中心的下方，在地板中央沿着x轴方向，有一条被分离为两段的缝隙，两段缝隙之间的间距可调节，抑制低频谐振；两段缝隙总长度约为中心频率对应波长的一半；缝隙采用阶梯状结构获得更好的阻抗匹配；第二介质基板的下表面蚀刻有十字形的微带线；金属过孔连接馈电微带和地板，此结构能在低频通带边沿产生辐射零点；距离馈电微带末端约1/4λg的位置伸出枝节，枝节长度可调，此结构能抑制高频谐振。
进一步地，所述电磁超表面的电单元形状为长方形、圆形、椭圆形、环状或者等效变形。
进一步地，将电磁超表面应用到滤波天线中，采用尺寸不一致的电单元，辐射体外侧的电单元在一个方向上比内侧的电单元尺寸大，其不同的尺寸用来调节辐射零点的频率，调节通带上边缘的滚降度。
进一步地，所述缝隙还能被分成多段缝隙，抑制低频谐振。
进一步地，电磁超表面所有电单元的总边长为中心频率对应的波长，通过电单元的尺寸及其间距以调节谐振频率，进而控制带宽。
进一步地，在馈电微带和地板之间引入金属化过孔，引入辐射零点。
进一步地，在馈电微带末端采用十字形结构，抑制高频谐振。
本发明的一种低剖面、宽带、高增益的滤波天线，辐射体采用电磁超表面结构，电磁超表面的内外单元不均匀。外部单元在一个方向上比内部单元尺寸大，在另一个垂直的方向上尺寸可相同或不同。所述的电磁超表面可以控制辐射零点的位置，调节通带上边缘的滚降度。馈电部分由分离的微带耦合缝隙构成，微带和地板之间有一金属过孔，所述馈电结构保证了低频部分的滤波效果。所述微带线采用十字形状，微带侧面伸出的枝节抑制高频谐振。
相关已公开的天线发明专利和发明专利，都未采用上述的方法实现滤波效果。上述方法，用来实现滤波天线具有新颖性、创新性和实用性。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.采用电磁超表面实现了具有高度频率选择性的滤波天线，结构简单、易加工；
2.将滤波效果融合到天线设计中，同时未引入复杂的滤波电路，天线损耗低，效率高；
3.所述滤波天线具有低剖面、宽带、高增益的特点。天线整体厚度～0.06λ0，10dB阻抗带宽28.4％，单个天线平均增益8.2dBi。
附图说明
图1是本发明滤波天线具体实施例的侧视图；
图2是本发明滤波天线具体实施例的辐射体的俯视图；
图3是本发明滤波天线具体实施例的地板的示意图；
图4是本发明滤波天线具体实施例的馈电电路的示意图；
图5是本发明滤波天线具体实施例的S11参数的仿真和测试曲线图。
图6是本发明滤波天线具体实施例的增益仿真测试曲线图和效率测试曲线图；
图7是本发明滤波天线具体实施例在5GHz的归一化辐射方向图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术细节进行清晰、详尽的说明，所描述的实施例仅是本发明中的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例一种工作在5GHz的低剖面、宽带、高增益滤波天线。参阅图1，本实施例的辐射体1采用厚度h＝3mm的F4T作为第一介质基板2，下面的馈电层采用厚度h1＝0.813mm的RO4003作为第二介质基板4，整体高度～3.813mm，剖面低。参阅图2，本实施例的辐射体采用电磁超表面结构。构成电磁超表面的电小单元尺寸不一致。外侧单元6比内侧单元7在y轴方向上尺寸要大，外侧单元6的长度是内侧单元7的1～2倍，优选1～1.5倍。单元数量的选择也有较大的自由度，可以选择Nx×Ny(Nx,Ny分别代表x,y方向的电单元个数，Nx取正整数，Ny取大于或等于4的偶数)。本实施例采用4×4单元，单元总长大约λg，单元尺寸及间距可以调节谐振频率，进而控制带宽。单元形状也有较大的自由度，本实施例采用最简单的长方形。一个优化的尺寸:内侧单元9.7mm×9.7mm,外侧单元9.7mm×13.6mm,单元间距统一采用0.9mm.
参阅图3，本实施例的地板3,即馈电层上表面。在地板中央有一条被分离的缝隙9，缝隙间距可调节，抑制低频谐振。本实施例缝隙间距采用1mm。两部分缝隙总长度大约半个波长。缝隙采用阶梯状结构为了获得更好的阻抗匹配。参阅图4，本实施例的第二介质基板4的下表面，十字形的馈电微带线5。微带和地板间有一金属过孔8，可以在低频通带边沿产生辐射零点。距离馈电微带末端约1/4λg的位置伸出枝节10，枝节长度可调节，抑制高频谐振。
参照图5，本发明实施例仿真与测试的|S11|参数较为吻合，测试结果在高频部分稍微有频偏，这可能是具体的加工误差和两层板间空气缝隙所致。测试的10dB阻抗带宽是28.4％，阻带|S11|接近于0。参照图6，本发明实施例仿真与测试的增益曲线比较吻合，测试通带内平均增益8.2dBi,并且在通带边沿有很高的滚降度，在很宽的阻带内带外抑制超过20dBi，0～10GHz范围内有较好的滤波效果。本发明实施例的带内效率高达95％。参阅图7，中心频率5GHz的归一化方向图。最大辐射方向在辐射体的正上方，主极化比交叉极化大25dBi以上。通带内其他频率的方向图与5GHz的方向图类似，整个通带内方向图比较稳定。
本发明提供的实施例应用于无线移动通信领域，可应用于各类无线通信***的接收和发射设备中，受益于本发明将天线设计与滤波器设计融为一体，可以得到更加简单的模块结构，易于加工，降低射频前端的复杂度和成本，提高了模块的整体性能。
以上是对本发明应用于无线通信的超表面滤波天线所提供具体实施例的详细描述。本实施方式运用了具体实施例对本发明的设计、原理及实施方式进行阐述，帮助理解本发明的发明及其核心思想。综上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、简化、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种低剖面、宽带、高增益滤波天线，其特征在于包括第一介质基板（2）以及第一介质基板（2）上表面蚀刻的辐射体（1），第一介质基板（2）和第二介质基板（4）之间的地板（3），第二介质基板（4）以及第二介质基板（4）下表面蚀刻的馈电微带（5）；辐射体采用电磁超表面结构；构成电磁超表面的电单元数量为Nx×Ny，电单元按直角坐标系x，y排布，Nx,Ny分别代表直角坐标x,y方向的电单元个数，Nx取正整数，Ny取大于或等于4的偶数，y轴方向上的电单元之间大小不统一，外侧电单元（6）比内侧电单元（7）在y轴方向上尺寸大；对于Ny=4时，外侧电单元（6）的长度是内侧电单元(7)的1~2倍；位于辐射体中心的下方，在地板中央沿着x轴方向，有一条被分离为两段的缝隙，两段缝隙之间的间距可调节，抑制低频谐振；两段缝隙总长度约为中心频率对应波长的一半；缝隙采用阶梯状结构获得更好的阻抗匹配；第二介质基板（4）的下表面蚀刻有十字形的微带线（5）；金属过孔（8）连接馈电微带（5）和地板（3），此结构能在低频通带边沿产生辐射零点；距离馈电微带末端约1/4λg的位置伸出枝节（10），枝节长度可调，此结构能抑制高频谐振。
2.根据权利要求1所述的一种低剖面、宽带、高增益滤波天线，其特征在于所述电磁超表面的电单元形状为长方形、圆形、椭圆形、环状或者等效变形。
3.根据权利要求1所述的低剖面、宽带、高增益滤波天线，其特征在于，将电磁超表面应用到滤波天线中，采用尺寸不一致的电单元，辐射体外侧的电单元在一个方向上比内侧的电单元尺寸大，其不同的尺寸用来调节辐射零点的频率，调节通带上边缘的滚降度。
4.根据权利要求1所述的低剖面、宽带、高增益滤波天线，其特征在于，所述缝隙还能被分成多段缝隙，抑制低频谐振。
5.根据权利要求1所述的低剖面、宽带、高增益滤波天线，其特征在于，电磁超表面所有电单元的总边长为中心频率对应的波长，通过电单元的尺寸及其间距以调节谐振频率，进而控制带宽。
6.根据权利要求1所述的低剖面、宽带、高增益滤波天线，其特征在于，在馈电微带和地板之间引入金属化过孔，引入辐射零点。
7.根据权利要求1所述的低剖面、宽带、高增益滤波天线，其特征在于，在馈电微带末端采用十字形结构，抑制高频谐振。
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