CN107809009B - 一种基于开环谐振器的滤波双工天线 - Google Patents

一种基于开环谐振器的滤波双工天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于开环谐振器的滤波双工天线，包括一个中间加载短路柱的矩形贴片、一个堆叠的寄生矩形贴片、发射通道馈电探针、接收通道馈电探针、反射地板、发射端口、接收端口、发射通道馈电网络和接收通道馈电网络，其中，矩形贴片印刷在中间介质基板的上表面，堆叠的寄生矩形贴片印刷在上层介质基板的上表面，反射地板印刷在下层介质基板的上表面，发射通道馈电网络和接收通道馈电网络印刷在下层介质基板的下表面。所述滤波双工天线引入开环谐振器作为馈电网络，具有滤波双工功能，能够实现发射和接收同时进行，且天线的发射与接收使用的电磁波均为线极化电磁波。

Description

一种基于开环谐振器的滤波双工天线
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于开环谐振器的滤波双工天线。
背景技术
天线是发射和接收电磁波的设备，天馈***是无线通信***的最前端，是无线通信***不可缺少的关键部件。天馈***包括天线、滤波器和双工器，传统方法是三者分别设计，然后用射频电缆进行连接从而使得整个***体积大、重量重，尤其由馈线和匹配网络带来的损耗会极大的降低信号的传送效率。
在现代的移动通信***中，为了实现***的结构紧凑、重量轻、小型化、性能佳，一体化的天馈***成为发展趋势。双工天线将天线、滤波器、双工器等前端器件联合进行设计，能够使得射频前端***的结构更加紧凑，减少不必要的损耗引入，使得通信***的小型化和集成化更加容易实现。射频前端的一体化设计将摈弃两端的匹配网络和连接的馈线，这会大幅的提高信号的传送效率，同时使得无线通信***小型化、重量轻。
目前的同极化双工天线存在收发频率的间隔比较大，端口隔离度低，有时还需电路引入传输零点以提高收发隔离，造成电路结构复杂化，而且天线的增益不高等缺点。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种基于开环谐振器的滤波双工天线，所述天线为同极化异频双工天线，无需引入额外的电路以实现传输零点提高隔离，通过开环谐振器馈电就能够使得发射端和接收端之间具有高的隔离度。
本发明的目的可以通过如下技术方案实现：
一种基于开环谐振器的滤波双工天线，所述滤波双工天线包括三层互相平行的介质基板，分别为上层介质基板、中间介质基板和下层介质基板，所述上层介质基板和中间介质基板间隔一定距离，中间介质基板和下层介质基板无缝连接，还包括印刷在上层介质基板上表面的堆叠的寄生矩形贴片，印刷在中间介质基板上表面的矩形贴片，印刷在下层介质基板上表面的反射地板，印刷在下层介质基板下表面的发射通道馈电网络和接收通道馈电网络，加载在所述矩形贴片长度方向中心轴线上并贯穿中间介质基板的一排等间距的短路柱，发射通道馈电探针，接收通道馈电探针，发射端口和接收端口；所述发射通道馈电探针和接收通道馈电探针一端与矩形贴片相连，另一端分别穿过中间介质基板、反射地板、下层介质基板与发射通道馈电网络和接收通道馈电网络相连，同时，所述发射通道馈电网络和接收通道馈电网络的另一端分别与发射端口和接收端口相连。
进一步地，所述发射通道馈电网络包括第一微带馈线、第一微带耦合线、发射通道第一开环谐振器、发射通道第二开环谐振器、第二微带耦合线和第二微带馈线；所述接收通道馈电网络包括第三微带馈线、第三微带耦合线、接收通道第三开环谐振器、接收通道第四开环谐振器、第四微带耦合线和第四微带馈线。
进一步地，所述发射通道馈电网络的一端通过第一微带馈线与发射端口相连，另一端通过第二微带馈线与所述发射通道馈电探针相连；所述接收通道馈电网络的一端通过第三微带馈线与接收端口相连，另一端通过第四微带馈线与所述接收通道馈电探针相连。
进一步地，所述短路柱的上端连接到矩形贴片，下端连接到反射地板，且沿着矩形贴片的长度方向中心轴线等间距排列，关于矩形贴片的几何中心对称。
进一步地，所述发射通道馈电探针和接收通道馈电探针关于矩形贴片的几何中心对称，且都在所述矩形贴片的宽度方向中心轴线上。
进一步地，所述第一微带耦合线和发射通道第一开环谐振器之间存在耦合间隙、所述发射通道第一开环谐振器和发射通道第二开环谐振器之间存在耦合间隙、所述发射通道第二开环谐振器和第二微带耦合线之间存在耦合间隙，且所有耦合间隙可调。
进一步地，所述第三微带耦合线和接收通道第三开环谐振器之间存在耦合间隙、所述接收通道第三开环谐振器和接收通道第四开环谐振器之间存在耦合间隙、所述接收通道第四开环谐振器和第四微带耦合线之间存在耦合间隙，且所有耦合间隙可调。
进一步地，印刷在中间介质基板上表面的矩形贴片和加载在所述矩形贴片长度方向中心轴线上并贯穿中间介质基板的一排等间距的短路柱能够产生一个具有两个谐振模式的单极化贴片天线；发射通道第一开环谐振器、发射通道第二开环谐振器和具有两个谐振模式的单极化贴片天线的低频谐振模式相耦合产生的发射天线使得频率为f发的发送信号能够通过，而频率为f收的接收信号不能通过；接收通道第三开环谐振器、接收通道第四开环谐振器和具有两个谐振模式的单极化贴片天线的高频谐振模式相耦合产生的接收天线使得频率为f收的接收信号能够通过，而频率为f发的发送信号不能通过。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明通过将加载等间距排列的短路柱的矩形贴片和堆叠的寄生矩形贴片经发射通道馈电探针或接收通道馈电探针馈电设计了一个具有两个谐振模式的单一极化的贴片天线，且两个谐振模式的频点间隔近，便于实现发射接收频率间隔近的频分双工天线。
2、本发明基于开环谐振器的滤波双工天线电路结构简单，无需引入额外的电路以实现传输零点提高隔离，通过开环谐振器馈电即可使得发射端和接收端间具有高的隔离度。
3、本发明的发射通道和接收通道可以通过调节对应微带耦合线和对应开环谐振器间的耦合间隙、开环谐振器与开环谐振器之间的耦合间隙，使得所述滤波双工天线的发射通道和接收通道共同工作不受影响，实现发射通道和接收通道小的互扰。
附图说明
图1为本发明实施例滤波双工天线的总结构示意图。
图2为本发明实施例滤波双工天线的总结构示意图及部分部件的尺寸编号标注。
图3为本发明实施例滤波双工天线沿长度方向中心轴线垂直剖开的正面剖视图。
图4为本发明实施例上层介质基板上表面结构的尺寸编号标注图。
图5为本发明实施例中间介质基板上表面结构的尺寸编号标注图。
图6为本发明实施例下层介质基板下表面结构的尺寸编号标注图。
图7为本发明实施例滤波双工天线的仿真S参数曲线图。
图8为本发明实施例滤波双工天线的仿真增益随频率变化曲线图。
图9(a)为本发明实施例发射端口在2.35GHz激励下的xoz面仿真方向图；图9(b)为本发明实施例发射端口在2.35GHz激励下的yoz面仿真方向图。
图10(a)为本发明实施例接收端口在2.7GHz激励下的xoz面仿真方向图；图10(b)为本发明实施例接收端口在2.7GHz激励下的yoz面仿真方向图。
其中，1-堆叠的寄生矩形贴片，2-矩形贴片，3-短路柱，4-发射通道馈电探针，5-接收通道馈电探针，6-第一微带馈线，7-第一微带耦合线，8-发射通道第一开环谐振器，9-发射通道第二开环谐振器，10-第二微带耦合线，11-第二微带馈线，12-第三微带馈线，13-第三微带耦合线，14-接收通道第三开环谐振器，15-接收通道第四开环谐振器，16-第四微带耦合线，17-第四微带馈线，18-发射端口，19-接收端口，20-上层介质基板，21-中间介质基板，22-下层介质基板，23-反射地板。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例：
如图1、图2和图3所示，本实施例提供了一种基于开环谐振器的滤波双工天线，所述滤波双工天线包括三层互相平行的介质基板，分别为上层介质基板(20)、中间介质基板(21)和下层介质基板(22)，所述上层介质基板(20)和中间介质基板(21)间隔一定距离，中间介质基板(21)和下层介质基板(22)无缝连接，还包括印刷在上层介质基板(20)上表面的堆叠的寄生矩形贴片(1)，印刷在中间介质基板(21)上表面的矩形贴片(2)，印刷在下层介质基板(22)上表面的反射地板(23)，印刷在下层介质基板(22)下表面的发射通道馈电网络和接收通道馈电网络，加载在所述矩形贴片(2)长度方向中心轴线上并贯穿中间介质基板(21)的一排等间距的短路柱(3)，发射通道馈电探针(4)，接收通道馈电探针(5)，发射端口(18)和接收端口(19)；所述发射通道馈电探针(4)和接收通道馈电探针(5)一端与矩形贴片(2)相连，另一端分别穿过中间介质基板(21)、反射地板(23)、下层介质基板(22)与发射通道馈电网络和接收通道馈电网络相连，同时，所述发射通道馈电网络和接收通道馈电网络的另一端分别与发射端口(18)和接收端口(19)相连。
其中，所述发射通道馈电网络包括第一微带馈线(6)、第一微带耦合线(7)、发射通道第一开环谐振器(8)、发射通道第二开环谐振器(9)、第二微带耦合线(10)和第二微带馈线(11)，所述第一微带馈线(6)的一端与发射端口(18)相连，另一端与第一微带耦合线(7)相连，第一微带耦合线(7)和发射通道第一开环谐振器(8)之间耦合，发射通道第一开环谐振器(8)和发射通道第二开环谐振器(9)之间耦合，所述发射通道第二开环谐振器(9)和第二微带耦合线(10)之间耦合，第二微带耦合线(10)与第二微带馈线(11)相连，所述第二微带馈线(11)连接到发射通道馈电探针(4)，发射通道馈电探针(4)给加载短路柱的矩形贴片(2)馈电，加载短路柱的矩形贴片(2)通过耦合馈电给堆叠的寄生矩形贴片(1)。加载短路柱的矩形贴片(2)、在矩形贴片(2)的水平中心线上等间距排列的15个短路柱(3)、堆叠的寄生矩形贴片(1)、反射地板(23)的长度、介质基板间空气层高度及发射通道馈电探针(4)的位置通过合理选择使得贴片天线能够具有两个谐振模式和单一的极化方式。作为一个实例，当要求f发＝2.35GHz，f收＝2.7GHz时，可以采用相对介电常数为2.55、厚度为h＝0.8mm的介质板做基板，加载短路柱的矩形贴片(2)的长度取46mm，在矩形贴片(2)中的等间距排列的短路柱(3)间距取2.875mm，短路柱(3)直径均取1mm，堆叠的寄生矩形贴片(1)的长度取74mm，反射地板(23)的长度取92mm，介质基板间空气层高度取6mm，发射通道馈电探针(4)的位置取距离反射地板(23)的边缘29.2mm。第一微带馈线(6)、第一微带耦合线(7)、发射通道第一开环谐振器(8)、发射通道第二开环谐振器(9)、第二微带耦合线(10)和第二微带馈线(11)的长度和宽度以及缝隙耦合端口的耦合间距通过合理选择使得在频率为f发的接收信号能够通过、而频率为f接的发送信号不能通过。作为一个实例，当要求f发＝2.35GHz，f收＝2.7GHz时，可以采用相对介电常数为2.55、厚度为h＝0.8mm的介质板做基板，第一微带馈线(6)的长度取16.2mm、宽度取2.2mm，第一微带耦合线(7)的长度取14mm、宽度取0.4mm，发射通道第一开环谐振器(8)与发射通道第二开环谐振器(9)的长度均约为发射频率对应的二分之一谐振波长49.2mm、宽度取1.4mm，第二微带耦合线(10)的长度取14mm、宽度取0.4mm、第二微带馈线(11)的长度取4.6mm、宽度取2.2mm组成，第一微带耦合线(7)和所述的发射通道第一开环谐振器(8)之间的耦合间隙取0.2mm，所述的发射通道第一开环谐振器(8)和所述的发射通道第二开环谐振器(9)之间的耦合间隙取1.2mm，所述的发射通道第二开环谐振器(9)和第二微带耦合线(10)之间的耦合间隙取0.5mm。所述接收通道馈电网络包括第三微带馈线(12)、第三微带耦合线(13)、接收通道第三开环谐振器(14)、接收通道第四开环谐振器(15)、第四微带耦合线(16)和第四微带馈线(17)。所述发射通道馈电网络的一端通过第一微带馈线(6)与发射端口(18)相连，另一端通过第二微带馈线(11)与所述发射通道馈电探针(4)相连；所述接收通道馈电网络的一端通过第三微带馈线(12)与接收端口(19)相连，另一端通过第四微带馈线(17)与所述接收通道馈电探针(5)相连。第三微带馈线(12)的长度取20mm、宽度取2.2mm，第三微带耦合线(13)的长度取14mm、宽度取0.6mm，接收通道第三开环谐振器(14)与接收通道第四开环谐振器(15)的长度均约为接收频率对应的二分之一谐振波长43.4mm、宽度取1mm，第四微带耦合线(16)的长度取14mm、宽度取0.6mm，第四微带馈线(17)的长度取4.4mm、宽度取2.2mm，第三微带耦合线(13)和所述的接收通道第三开环谐振器(14)之间的耦合间隙取0.3mm，所述的接收通道第三开环谐振器(14)和所述的接收通道第四开环谐振器(15)之间的耦合间隙取1.5mm，所述的接收通道第四开环谐振器(15)和第四微带耦合线(16)之间的耦合间隙取0.9mm。
另外，所述短路柱(3)的上端连接到矩形贴片(2)，下端连接到反射地板(23)，且沿着矩形贴片(2)的长度方向中心轴线等间距排列，关于矩形贴片(2)的几何中心对称。所述发射通道馈电探针(4)和接收通道馈电探针(5)关于矩形贴片(2)的几何中心对称，且都在所述矩形贴片(2)的宽度方向中心轴线上。
所述第一微带耦合线(7)和发射通道第一开环谐振器(8)之间存在耦合间隙、所述发射通道第一开环谐振器(8)和发射通道第二开环谐振器(9)之间存在耦合间隙、所述发射通道第二开环谐振器(9)和第二微带耦合线(10)之间存在耦合间隙，且所有耦合间隙可调。所述第三微带耦合线(13)和接收通道第三开环谐振器(14)之间存在耦合间隙、所述接收通道第三开环谐振器(14)和接收通道第四开环谐振器(15)之间存在耦合间隙、所述接收通道第四开环谐振器(15)和第四微带耦合线(16)之间存在耦合间隙，且所有耦合间隙可调。
印刷在中间介质基板(21)上表面的矩形贴片(2)和加载在所述矩形贴片(2)长度方向中心轴线上并贯穿中间介质基板(21)的一排等间距的短路柱(3)能够产生一个具有两个谐振模式的单极化贴片天线；发射通道第一开环谐振器(8)、发射通道第二开环谐振器(9)和具有两个谐振模式的单极化贴片天线的低频谐振模式相耦合产生的发射天线使得频率为f发的发送信号能够通过，而频率为f收的接收信号不能通过；接收通道第三开环谐振器(14)、接收通道第四开环谐振器(15)和具有两个谐振模式的单极化贴片天线的高频谐振模式相耦合产生的接收天线使得频率为f收的接收信号能够通过，而频率为f发的发送信号不能通过。
当发送时，发送信号从发射端口(18)送入，经由第一微带馈线(6)，第一微带耦合线(7)，发射通道第一开环谐振器(8)，发射通道第二开环谐振器(9)，第二微带耦合线(10)、第二微带馈线(11)组成的发射通道馈电网络将信号传递给发射通道馈电探针(4)，发射通道馈电探针(4)再将信号传递给加载短路柱的矩形贴片(2)，最后通过矩形贴片(22耦合信号给堆叠的寄生矩形贴片(1)辐射出去。
当接收时，接收信号从堆叠的寄生矩形贴片(1)处接收，堆叠的寄生矩形贴片(1)将接收到的信号耦合给加载短路柱的矩形贴片(2)，矩形贴片(2)再将信号传递给接收通道馈电探针(5)，接收通道馈电探针(5)再将信号传递给由第三微带馈线(12)，第三微带耦合线(13)，接收通道第三开环谐振器(14)，接收通道第四开环谐振器(15)，第四微带耦合线(16)、第四微带馈线(17)组成的接收通道馈电网络，从接收端口(19)输出。
本实施例提供的基于开环谐振器的滤波双工天线的具体参数如下：三个介质基板的材料和尺寸相同，如图2所示，厚度c为0.8mm，宽度b为92mm，长度a为72.6mm。三个介质基板之间的高度h为6mm。如图4所示，堆叠的寄生矩形贴片(1)的长1a、宽1b分别为74mm、46mm。如图5所示，加载短路柱的矩形贴片(2)的长2a、宽2b分别为46mm、35.4mm，矩形贴片(2)边缘离中间介质基板边缘间距2c、2d分别为17.7mm、19.5mm。等间距的15个短路柱(3)间的直径3a与间距3b分别为1mm、2.875mm。发射通道馈电探针(4)直径4a、发射通道馈电探针(4)圆心离矩形贴片(2)边缘间距4b分别为1mm、10.6mm。接收通道馈电探针(5)直径5a、接收通道馈电探针(5)圆心离矩形贴片(2)边缘间距5b分别为1mm、9.3mm。如图6所示，发射通道馈电网络的主要尺寸6a、6b分别为16.2mm、2.2mm，7a＝10a＝11.8mm，7b＝10b＝0.4mm，8a＝9a＝9.4mm，8b＝9b＝3.5mm，8c＝9c＝2.4mm，8d＝9d＝1.4mm，8e、9e、10c分别为0.2mm、1.2mm、0.5mm，11a、11b分别为4.6mm、2.2mm。接收通道馈电网络的主要尺寸12a、12b分别为20mm、2.2mm，13a＝16a＝11.8mm，13b＝16b＝0.6mm，14a＝15a＝7.4mm，14b＝15b＝2mm，14c＝15c＝3.4mm，14d＝15d＝1mm，14e、15e、16c分别为0.3mm、1.5mm、0.9mm，17a、17b分别为4.4mm、2.2mm。该天线的发射端口(18)工作在2.35GHz的频带，接收端口(19)工作在2.7GHz的频带。在两个频带内，两个端口的隔离度均大于36dB，如图7所示。在天线的发射端口(18)工作时，天线在发射端口(18)工作频率2.35GHz处的增益为4.6dBi，对接收频带的抑制超过36dB，在天线的接收端口(19)工作时，天线在接收端口(19)工作频率2.7GHz处的增益为6dBi，对发射频带的抑制超过38dB，如图8所示。两个工作频带范围内，天线的增益基本上都大于4dBi，交叉极化大于30dB，且都是关于x方向的线极化波，如天线的仿真测试方向图9(a)、图9(b)、图10(a)、图10(b)所示。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于开环谐振器的滤波双工天线，其特征在于：所述滤波双工天线包括三层互相平行的介质基板，分别为上层介质基板、中间介质基板和下层介质基板，所述上层介质基板和中间介质基板间隔一定距离，中间介质基板和下层介质基板无缝连接，还包括印刷在上层介质基板上表面的堆叠的寄生矩形贴片，印刷在中间介质基板上表面的矩形贴片，印刷在下层介质基板上表面的反射地板，印刷在下层介质基板下表面的发射通道馈电网络和接收通道馈电网络，加载在所述矩形贴片长度方向中心轴线上并贯穿中间介质基板的一排等间距的短路柱，发射通道馈电探针，接收通道馈电探针，发射端口和接收端口；所述发射通道馈电探针和接收通道馈电探针一端与矩形贴片相连，另一端分别穿过中间介质基板、反射地板、下层介质基板与发射通道馈电网络和接收通道馈电网络相连，同时，所述发射通道馈电网络和接收通道馈电网络的另一端分别与发射端口和接收端口相连；
所述发射通道馈电网络包括第一微带馈线、第一微带耦合线、发射通道第一开环谐振器、发射通道第二开环谐振器、第二微带耦合线和第二微带馈线；所述接收通道馈电网络包括第三微带馈线、第三微带耦合线、接收通道第三开环谐振器、接收通道第四开环谐振器、第四微带耦合线和第四微带馈线；
印刷在中间介质基板上表面的矩形贴片和加载在所述矩形贴片长度方向中心轴线上并贯穿中间介质基板的一排等间距的短路柱能够产生一个具有两个谐振模式的单极化贴片天线；发射通道第一开环谐振器、发射通道第二开环谐振器和具有两个谐振模式的单极化贴片天线的低频谐振模式相耦合产生的发射天线使得频率为f发的发送信号能够通过，而频率为f收的接收信号不能通过；接收通道第三开环谐振器、接收通道第四开环谐振器和具有两个谐振模式的单极化贴片天线的高频谐振模式相耦合产生的接收天线使得频率为f收的接收信号能够通过，而频率为f发的发送信号不能通过。
2.根据权利要求1所述的一种基于开环谐振器的滤波双工天线，其特征在于：所述发射通道馈电网络的一端通过第一微带馈线与发射端口相连，另一端通过第二微带馈线与所述发射通道馈电探针相连；所述接收通道馈电网络的一端通过第三微带馈线与接收端口相连，另一端通过第四微带馈线与所述接收通道馈电探针相连。
3.根据权利要求1所述的一种基于开环谐振器的滤波双工天线，其特征在于：所述短路柱的上端连接到矩形贴片，下端连接到反射地板，且沿着矩形贴片的长度方向中心轴线等间距排列，关于矩形贴片的几何中心对称。
4.根据权利要求1所述的一种基于开环谐振器的滤波双工天线，其特征在于：所述发射通道馈电探针和接收通道馈电探针关于矩形贴片的几何中心对称，且都在所述矩形贴片的宽度方向中心轴线上。
5.根据权利要求2所述的一种基于开环谐振器的滤波双工天线，其特征在于：所述第一微带耦合线和发射通道第一开环谐振器之间存在耦合间隙、所述发射通道第一开环谐振器和发射通道第二开环谐振器之间存在耦合间隙、所述发射通道第二开环谐振器和第二微带耦合线之间存在耦合间隙，且所有耦合间隙可调。
6.根据权利要求2所述的一种基于开环谐振器的滤波双工天线，其特征在于：所述第三微带耦合线和接收通道第三开环谐振器之间存在耦合间隙、所述接收通道第三开环谐振器和接收通道第四开环谐振器之间存在耦合间隙、所述接收通道第四开环谐振器和第四微带耦合线之间存在耦合间隙，且所有耦合间隙可调。
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