CN105846071A - 一种具有良好带外抑制特性的电小三阶滤波器天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有良好带外抑制特性的电小三阶滤波器天线，属于滤波器和天线交叉技术领域。该滤波器天线包括馈线部分、谐振器部分、耦合线部分、辐射贴片部分、介质基板和接地板。该滤波器天线在两个开口相对的开环谐振器的基础上，用一个包含扇形的曲折天线来替代最后一个谐振器，使得天线同时兼具有辐射能量和谐振的作用，这样不仅减少了滤波器和天线的整体尺寸，还使得滤波器和天线之间的传输损耗接近于零。而作为最后一阶谐振器的天线，也就具有了带外抑制的功能。更进一步，在第一个谐振器的内部再并联一个谐振器，使得滤波器天线在保持原有尺寸不变的情况下，带宽得到显著增大。本滤波器天线还具有结构紧凑、电尺寸小、易于加工的特点。
Description
技术领域
本发明属于滤波器与天线交叉技术领域，涉及一种具有良好带外抑制特性的电小三阶滤波器天线。
背景技术
在传统的无线通信***中，滤波器和天线是两个相互独立的器件，它们各自实现不同的功能，并且由一根50Ω的传输线(阻抗转换器)相连接，但这根50Ω的传输线在我们所需的频率范围内无法与整个***完全匹配，它会引入一些损耗并降低整个***的性能。随着通信技术的高速发展，目前通信平台向着日益紧凑化发展，这就使得对射频前端的天线的小型化和低成本提出了更高的要求。因此，设计结构简单紧凑且具有滤波性能的天线一直得到了广泛的研究。
在已有的滤波器天线的设计中，主要有两类设计方式：一是，将滤波器和天线分层放置，这样的设计虽然减少了***的平面尺寸，但***的厚度却增加了；另一种是，将滤波器和天线综合设计，即天线既作为最后一阶谐振器又作为辐射器，这样的设计方法，不仅减少了***的整体尺寸，而且滤波器和天线之间也不必再连接一个阻抗变换器，减少了滤波器和天线之间的损耗。
本发明意在提供一种结构简单的平面型的具有良好带外抑制功能的电小滤波器天线。使得该天线在具有紧凑结构的同时，又兼具滤波器和天线的功能。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有良好带外抑制特性的电小三阶滤波器天线。该滤波器天线充分利用谐振器的空间，将最后一阶谐振器替换为天线，使***的尺寸减少了1/3，且充分利用开口环形谐振器的内部空间，在不增加滤波器天线已有的尺寸基础上，通过在内部再并联一个开口环形谐振器，有效拓宽了滤波器天线的带宽。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种具有良好带外抑制特性的电小三阶滤波器天线，包括馈线部分、谐振器部分、耦合线部分、辐射器部分、介质基板和接地板。
所述耦合器部分、谐振器部分、耦合线部分以及辐射器部分均位于介质基板上表面；接地板位于介质基板下表面。
所述谐振器部分包括两个嵌套的开口环形谐振器和天线，外开口环形谐振器开口端的上(下)臂与内开口环形谐振器开口端下臂(上臂延伸线)平行，内开口环形谐振器开口后端上臂延伸线一部分与外开口环形谐振器开口端上臂垂直，一部分与外开口环形谐振器开口端上臂平行，最后一部分与天线的倒L形部分相平行，而天线既是最后一阶谐振器又是辐射器。耦合线与开口环形谐振器的对应边平行，位于外开口环形谐振器右侧的耦合线上端与天线相连接且与外开口环形谐振器的上边缘齐平，下端超出外开口环形谐振器下边缘一定的距离，位于开口环形谐振器下侧的耦合线以右侧的耦合线的下端为基点，向左延伸一定的长度。辐射天线由一个倒L形单极子天线和一个扇形单极子天线连接而成。馈线的一端接外开口环形滤波器，另一端接50Ω同轴线内导体。接地板位于介质基板下表面，接50Ω同轴线外导体，其宽度和介质基板相同，长度只覆盖到开口环形谐振器右侧耦合线处，并且在两个嵌套的开口环形谐振器的正下方位置蚀刻有沟槽。
进一步，所述谐振器的外开口环形谐振器部分由五根宽度均为L2的条带组成，其中，最左侧沿Y方向条带的长度W4+2*L3+2*L2为9.8～21.28mm，宽L2为1.87～2.37mm，上侧沿X方向条带的长度L4+2*L3+2*L2为1.87～13.55mm，下侧沿X方向条带长度L4+2*L3+2*L2+L6+W11为1.87～14.15mm，外开口环形谐振器开口处上臂长度W9为17.74～21.28mm，下臂长度W4+2*L3+2*L2-W9-W8-W7为9.6～12.54mm。
进一步，所述谐振器的内开口环形谐振器部分由8根宽度均为W10的条带组成，其中，最左侧沿Y方向条带的长度W4+2*W10为10.7～20.18mm，宽W10为20.04～21.54mm，与外开口环形谐振器对应边垂直距离L3为2.37～2.97mm，上侧沿X方向条带的长度L4+2*W10为2.97～12.45mm，下侧沿X方向条带长度L4+L3+2*W10+L2为2.97～13.55mm，内开口环形谐振器开口处上臂长度W9+W8+W10-L2-L3为16.94～20.18mm，下臂长度W6+W10为10.7～12.14mm，上臂延伸线垂直于外开口环形谐振器上臂部分的长度W10+L3+L2+L6+W10为11.95～14.15mm，与外开口环形谐振器上臂的垂直距离W8为17.44～17.74mm，上臂延伸线平行于外开口环形谐振器上臂部分的长度W8+W9+2*W10+W11为16.94～22.04mm，与外开口环形谐振器上臂的垂直距离L8为14.15～14.45mm，上臂延伸线平行于天线部分长度L7为13.65～17.15mm，与天线垂直距离W11为21.28～21.54mm。
进一步，所述谐振器的接地板部分，在长度L17为0～14.95mm，宽度W为0～27mm的长方形覆铜板上侵蚀有槽，槽分为三部分，其中，位于上侧的倒L形的槽，沿Y正方向的长度W14为9.6～17.5mm，沿X正方向的长度L14为1.87～9.87mm，宽度L13都为1.87～2.17mm；位于下侧的“一”字形槽，长度L16为，宽度为L13；位于“一”字形槽上方的倒U形槽分为三部分，宽度W17均为19.68～19.98mm，沿Y方向部分的长W16为10.9～19.98mm，沿X方向上侧部分长L15为3.17～12.25mm，沿X方向下侧部分与上侧部分有相同的长度。
进一步，所述天线部分，沿X正方向延伸部分L9+L10长14.95～24.95mm,沿Y负方向延伸部分W12长17.88～21.28mm，天线宽L10为23.75～24.95mm；扇形天线部分，中心为(24.37mm,19.3mm)，半径R1为10mm，夹角α为245°～295°。
进一步，所述介质基板的长L为0～29mm，宽W为0～27mm，高度H为1mm，材料为Rogers 4350B，相对电介质常数3.48，相对磁导率为1.0，损耗正切角值0.0037。
进一步，所述耦合线部分位于环形谐振器的下侧和右侧，下侧耦合线部分与谐振器之间的垂直距离W5为8.7～9.6mm，耦合线宽度L2为8.2～8.7mm，耦合线长度L5为5.35～14.95mm；右侧耦合线部分与谐振器之间的水平距离L8为14.15～14.45mm，耦合线长度W4+2*L3+3*L2+W5为8.2～21.28mm。
进一步，所述馈线部分长度L1为0～2.2mm，馈线宽度W2为17.48～19.68mm。
本发明的有益效果在于：1)相比于一般的采用三个谐振器设计三阶带通滤波器级联天线的传统设计方法，本发明充分利用两个并联的嵌套式开口环形谐振器以及天线实现三阶带通滤波器天线的设计，等效于减少滤波器的个数来实现滤波器天线的小型化，提高了天线的带外抑制特性；2)相比于采用两个谐振器并行排列设计的三阶滤波器天线的设计思路，本发明等效于利用一个谐振器的尺寸实现了两个谐振器的功能；3)本发明通过在一个开口环形谐振器内部加载谐振器的方法，提高了滤波器的阶数，进一步扩展了滤波器天线的通带带宽；4)相比与现有的滤波器天线，本发明是电小天线(ka＜1,)，天线电尺寸远远小于目前报道过的滤波器天线。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明所述的滤波器天线的整体结构图；
图2为本发明所述的滤波器天线的主视图；
图3为本发明所述的滤波器天线的后视图；
图4为本发明所述的滤波器天线的HFSS的S参数以及可实现增益仿真结果；
图5为本发明所述的滤波器天线的HFSS的主极化、交叉极化方向图仿真结果；
其中：1、长方体介质基板；2、外开口环形谐振器部分；3、内开口环形谐振器部分；4、耦合线部分；5、天线部分；6、馈线部分。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
图1为本发明所述的双通带滤波器的整体结构图，如图所示，该滤波器包括长方体介质基板1；外开口环形谐振器部分2；内开口环形谐振器部分3；两条耦合线4；包含倒L形、扇形两部分的单极子天线5；馈线部分6。长方体介质基板厚度表示为H，采用材料Rogers4350B，其介电常数为3.48，相对磁导率1.0，损耗正切值为0.0037。谐振器部分、天线部分、耦合线部分以及馈线部分厚度均相同。图2为本发明所述的具有带外抑制特性的电小三阶滤波器的主视图，图3为本发明所述的具有带外抑制特性的电小三阶滤波器的后视图。仿真得到滤波器的最优尺寸如表1所示。
所述具有带外抑制特性的电小三阶滤波器天线，通过改变外开口环形谐振器和天线的尺寸，可以直接改变整个天线的通带工作范围。但是当通带工作范围增加到一定的程度后，通带内的增益就会下降，使得天线性能降低。通过加载内开口环形谐振器，就可以改善通带内的增益，使得天线相比于没有内开口环形谐振器的天线带宽得到增加而且通带内的增益也没有恶化，同时天线的尺寸也没有显著的增加。通过改变内外谐振器之间的距离，可以调节两个谐振器之间的耦合，而改变内开口环形谐振器上臂延长线可以调节内外开口环形谐振器的耦合程度和内开口环形谐振器与天线之间的耦合程度。内开口环形谐振器上臂延长线使得天线能和内开口环形谐振器之间产生直接耦合。
所述耦合线部分4分别位于谐振器的下侧和右侧，下侧耦合线距离外开口环形谐振器的垂直距离是L5，通过改变L5可以改变外谐振器与天线的耦合程度，右侧耦合线距离外开口环形谐振器的水平距离是W8，通过改变W8可以同时改变内、外谐振器与天线的耦合程度，耦合线与谐振器对应边平行，并且一端直接连接在天线上，使得三个谐振器两两相互耦合，实现了天线与谐振器之间的良好耦合。
所述天线部分5与耦合线相连接，由倒L形和扇形单极子天线连接而成。倒L形天线沿X轴的长度不同，天线谐振频点将会发生很大的变化，而扇形结构天线的主要作用是将能量辐射出去。
使用高频电磁仿真软件HFSS 13.0对上述建立的天线结构模型进行仿真实验，得出电小天线结构尺寸最优值如表1所示：(表中H为介质基板的厚度)
表1本发明各参数最佳尺寸表
在本实施例中，使用HFSS 13.0仿真了天线性能参数，对滤波器S参数进行仿真分析。
图4为仿真得到的滤波器天线S11参数和可实现增益随频率变化的曲线图。如图所示，所设计滤波器天线的-10dB通带为2.264GHz～2.46GHz，相对带宽为8.27％，通带内有三个传输零点，依次位于2.305GHz、2.338GHz、2.413GHz，阻带抑制大于15dB，在通带内可实现增益稳定，具有良好的带外抑制效果。
图5为仿真得到的滤波器天线在三个谐振频点的主极化交叉极化方向图(图(a)为在谐振频点2.305GHz处，天线在E(zox)面和H(zoy)面的二维方向图；图(b)为在谐振频点2.338GHz处，天线在E(zox)面和H(zoy)面的二维方向图；图(c)为在谐振频点2.413GHz处，天线在E(zox)面和H(zoy)面的二维方向图)。如图所示，所设计滤波器天线在E面辐射方式是与单极子天线辐射方式相同，在H面接近于全向辐射；所设计滤波器天线在所有的谐振频点处都有相似的辐射模式，辐射方式比较稳定，交叉极化辐射水平低于-20dB。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (7)
1.一种具有良好带外抑制特性的电小三阶滤波器天线，其特征在于：包括谐振器部分、耦合线部分、辐射天线部分、馈线部分、介质基板和接地板。
所述谐振器部分、耦合线部分、辐射天线部分、馈线部分均位于介质基板上表面，接地板位于介质基板下表面，介质基板上表面左半部分设置有外开口环形谐振器和内开口环形谐振器，外开口环形谐振器与50Ω同轴线内导体连接，介质基板上表面右半部分设置有耦合线和既作为最后一阶谐振器又作为辐射器的天线。
2.根据权利要求1所述的一种具有良好带外抑制特性的电小三阶滤波器天线，其特征在于：所述谐振器部分包括两个嵌套的开口环形谐振器和天线，外开口环形谐振器开口端的上(下)臂与内开口环形谐振器开口端下臂(上臂延伸线)平行；内开口环形谐振器开口后端上臂延伸线一部分与外开口环形谐振器开口端上臂垂直，一部分与外开口环形谐振器开口端上臂平行，最后一部分与天线的倒L形部分相平；而天线既是最后一阶谐振器又是辐射器。
3.根据权利要求2所述的一种具有良好带外抑制特性的电小三阶滤波器天线，其特征在于：所述耦合线位于谐振器的右侧以及下侧；其中，耦合线与开口环形谐振器的对应边平行，位于外开口环形谐振器右侧的耦合线上端与天线相连接且与外开口环形谐振器的上边缘齐平，下端超出外开口环形谐振器下边缘一定的距离；位于开口环形谐振器下侧的耦合线则以右侧的耦合线的下端为基点，向左延伸一定的长度，从而使得谐振器两两之间都有良好的耦合。
4.根据权利要求3所述的一种具有良好带外抑制特性的电小三阶滤波器天线，其特征在于：所述辐射天线由一个倒L形单极子天线和一个扇形单极子天线连接而成，这样的设计不仅使得天线能作为谐振器使用还能使更多的能量被辐射出去。
5.根据权利要求4所述的一种具有良好带外抑制特性的电小三阶滤波器天线，其特征在于：所述馈线的一端接外开口环形滤波器，另一端接50Ω同轴线内导体。
6.根据权利要求5所述的一种具有良好带外抑制特性的电小三阶滤波器天线，其特征在于：所述接地板位于介质基板下表面，接50Ω同轴线外导体，其宽度和介质基板相同，长度只覆盖到开口环形谐振器右侧耦合线处，并且在两个嵌套的开口环形谐振器的正下方位置蚀刻有沟槽。
7.根据权利要求6所述的一种具有良好带外抑制特性的电小三阶滤波器天线，其特征在于：所述长方体介质基板材料为Rogers RO4350B，相对电介质常数3.48，相对磁导率为1.0，损耗正切角值0.0037，板材厚度H＝1mm。
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