CN109066072B - 宽带滤波天线 - Google Patents

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Abstract

一种宽带滤波天线，包括从上至下的五层结构，第一层结构包括顶层贴片结构，第二层结构包括底层贴片结构，第三层结构包括两个折叠式谐振器，第四层结构为开设了一对过孔的金属大地层，第五层结构包括馈电结构，本发明解决了平面尺寸大的问题，实现了天线的滤波性能；利用层叠多贴片结合谐振器产生三个反射零点来拓展天线的工作带宽；谐振器的奇模产生低端辐射零点，顶层、底层贴片结构之间的耦合产生高端辐射零点，从而达到提高工作频带两边频率选择性的效果；通过调整折叠式谐振器的第一部分和第二部分的阻抗比，可以在保持带宽的前提下调控低端辐射零点；利用馈线上加载的短路枝节，抑制带外的高次模，达到提高天线频率高端处带外抑制的目的。

Description

宽带滤波天线
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及一种宽带滤波天线。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，对天线集成化和小型化的要求日益提高，集成多种功能的天线已成为了一种发展趋势。在大多数无线通信***中，接收天线后面总会跟着一个带通滤波器且两者相互级联，因此将两者集成化形成滤波天线，可以有效减小器件数目，降低滤波器所带来的损耗，改善通带边缘的匹配，提高整体的效率。
对于滤波天线，目前报道了诸多设计技术。例如，可以使用阻抗变换器级联天线与滤波器，从而实现滤波与天线功能的融合；又或者可以利用天线取代滤波器最后一级谐振器，实现滤波天线设计。对于现有的设计技术，要么存在尺寸大、效率低的问题，要么存在工作带宽窄的问题。总体上讲，滤波天线的最宽带宽只有约28.4％。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述滤波天线的平面尺寸大的缺陷，提供一种宽带滤波天线。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种宽带滤波天线，包括从上至下顺序设置的五层结构，其中，第一层结构包括顶层贴片结构，第二层结构包括底层贴片结构，第三层结构包括两个折叠式谐振器，第四层结构为开设了一对过孔的金属大地层，第五层结构包括馈电结构，所述馈电结构通过穿设所述一对过孔的一对金属通孔与所述两个折叠式谐振器连接，所述折叠式谐振器的偶模与所述顶层贴片结构以及所述底层贴片结构耦合产生三个反射零点，所述折叠式谐振器的奇模产生低端辐射零点，所述顶层贴片结构以及所述底层贴片结构之间的耦合产生高端辐射零点。
在本发明所述的宽带滤波天线中，所述两个折叠式谐振器对称设置，每一所述折叠式谐振器包括一字型的主体部和L型的折叠部，所述折叠部由所述主体部的长度方向的某个位置沿与主体部垂直的方向延伸后再垂直弯折形成。
在本发明所述的宽带滤波天线中，所述馈电结构包括功率分配线和加载了开路枝节的馈线，所述功率分配线和馈线相互垂直，所述馈线的首端设置于所述第五层结构的侧边缘，所述馈线的末端与所述功率分配线的长度方向的中间位置连接，所述馈线的首端和末端之间的某个位置加载所述开路枝节。
在本发明所述的宽带滤波天线中，所述开路枝节包括相互连接并垂直的第一部分和第二部分，所述第一部分的始端与所述馈线连接并垂直，所述第二部分自所述第一部分的末端沿靠近所述功率分配线的方向延伸形成。
在本发明所述的宽带滤波天线中，所述顶层贴片结构与所述底层贴片结构在水平方向上的投影重合，所述顶层贴片结构与所述底层贴片结构均包括两组矩形金属贴片，所述两组矩形金属贴片对称设置，所述两组矩形金属贴片的对称面与所述两个折叠式谐振器对称面重合，每一组所述矩形金属贴片包括对称设置的两个矩形金属贴片，所述两个矩形金属贴片的对称面与所述两个折叠式谐振器对称面垂直。
在本发明所述的宽带滤波天线中，所述第一层结构还包括顶面设置所述顶层贴片结构的第一层介质基板，所述第二层结构还包括顶面设置所述底层贴片结构的第二层介质基板，所述第三层结构还包括顶面设置所述两个折叠式谐振器的第三层介质基板，所述第五层结构包括底面设置所述馈电结构的第四层介质基板；
其中，第一层介质基板和第二层介质基板之间间隔一定距离，第二层介质基板和第三层介质基板之间间隔一定距离，所述金属大地层分别与所述第三层介质基板和第四层介质基板贴合，所述一对金属通孔穿透所述第四层介质基板和所述第三层介质基板。
本发明的宽带滤波天线，具有以下有益效果：本发明解决了传统设计技术存在的平面尺寸大的问题，在不增加原有天线平面尺寸的基础上，实现了天线的滤波性能；再者，利用层叠多贴片结合折叠式谐振器产生三个反射零点来拓展天线的工作带宽，带宽可达42％；而且，所述折叠式谐振器的奇模产生低端辐射零点，所述顶层贴片结构以及所述底层贴片结构之间的耦合产生高端辐射零点，从而达到提高工作频带两边频率选择性的效果；
进一步地，通过调整折叠式谐振器的第一部分和第二部分的阻抗比，可以在保持带宽的前提下调控低端辐射零点；利用馈线上加载的短路枝节，抑制带外的高次模，达到提高天线频率高端处带外抑制的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图：
图1是本发明具体实施例中提供的宽带滤波天线的剖面结构示意图；
图2是本发明具体实施例中提供的宽带滤波天线的第一层结构的平面示意图；
图3是本发明具体实施例中提供的宽带滤波天线的第二层结构的平面示意图；
图4是本发明具体实施例中提供的宽带滤波天线的第三层结构的平面示意图；
图5是本发明具体实施例中提供的宽带滤波天线的第四层结构的平面示意图；
图6是本发明具体实施例中提供的宽带滤波天线的第五层结构的平面示意图；
图7是具体实施例中提供的天线实测结果示意图；
图8是具体实施例中提供的天线的实测xoz面辐射方向图；
图9是具体实施例中提供的天线的实测yoz面辐射方向图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的典型实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
本说明书中使用的“第一”、“第二”等包含序数的术语可用于说明各种构成要素，但是这些构成要素不受这些术语的限定。使用这些术语的目的仅在于将一个构成要素区别于其他构成要素。例如，在不脱离本发明的权利范围的前提下，第一构成要素可被命名为第二构成要素，类似地，第二构成要素也可以被命名为第一构成要素。
参考图1-6，本发明一个具体实施例中的宽带滤波天线，包括在垂直方向上从上至下顺序设置的五层结构，其中，从下至下：
第一层结构1，包括第一层介质基板和设置于所述第一层介质基板顶面的顶层贴片结构6；
第二层结构2，包括第二层介质基板和设置于所述第二层介质基板顶面的底层贴片结构7；
第三层结构3，包括第三层介质基板和设置于所述第三层介质基板顶面的两个折叠式谐振器8；
第四层结构4，为开设了一对过孔9的金属大地层10；
第五层结构5，包括第四层介质基板和设置于所述第四层介质基板底面的馈电结构，一对金属通孔14与所述馈电结构连接，并依次穿透所述第四层介质基板、所述金属大地层10的一对过孔9、所述第三层介质基板后，再与所述两个折叠式谐振器8连接，其中，金属通孔14实际上是由一个金属铜柱的外表面形成。
其中，第一层介质基板、第二层介质基板、第三层介质基板和第四层介质基板均为大小相同的矩形板且在水平面的投影重合。第一层介质基板和第二层介质基板之间可以通过螺柱等结构支撑连接以使第一层介质基板和第二层介质基板之间间隔一定距离，第二层介质基板和第三层介质基板之间可以通过螺柱等结构支撑连接以使第二层介质基板和第三层介质基板之间间隔一定距离，所述金属大地层10分别与所述第三层介质基板和第四层介质基板贴合。
参考图2-3，所述顶层贴片结构6与所述底层贴片结构7完全相同，在水平方向上的投影重合。具体的，所述顶层贴片结构6与所述底层贴片结构7均包括两组矩形金属贴片，所述两组矩形金属贴片对称设置，所述两组矩形金属贴片的对称面与所述两个折叠式谐振器8对称面重合，每一组所述矩形金属贴片包括对称设置的两个矩形金属贴片，所述两个矩形金属贴片的对称面与所述两个折叠式谐振器8对称面垂直。也即两组矩形金属贴片总共是四个矩形金属贴片，呈田字形排布。且四个矩形金属贴片之间具有适当的间距，矩形金属贴片的设置方向与对应的介质基板的设置方向一致，也即矩形金属贴片的侧边与介质基板的对应侧边平行。
参考图4，具体的，所述两个折叠式谐振器8对称设置，每一所述折叠式谐振器8包括一字型的主体部和L型的折叠部，所述折叠部由所述主体部的长度方向的某个位置沿与主体部垂直的方向延伸后再垂直弯折形成。主体部通过所述金属通孔14与所述馈电结构连接。通过改变主体部和折叠部的宽度，即可改变主体部和折叠部的阻抗比。
参考图6，所述馈电结构包括功率分配线11和加载了开路枝节12的馈线13，所述功率分配线11和馈线13相互垂直，所述馈线13的首端设置于所述第五层结构5的侧边缘且所述馈线13与所述侧边缘垂直，所述馈线13的末端与所述功率分配线11的长度方向的中间位置连接，所述馈线13的首端和末端之间的某个位置加载所述开路枝节12。具体的，所述开路枝节12包括相互连接并垂直的第一部分和第二部分，所述第一部分的始端与所述馈线13连接并垂直，所述第二部分自所述第一部分的末端沿靠近所述功率分配线11的方向延伸形成。功率分配线11通过所述金属通孔14与谐振器8的主体部连接。
本实施例通过功率分配线11对谐振器8进行馈电，而后谐振器8将微波信号耦合给底层贴片结构7，底层贴片结构7再将信号耦合给顶层贴片结构6。利用谐振器8的偶模与所述顶层贴片结构6以及所述底层贴片结构7耦合产生三个反射零点，达到拓展工作带宽的效果。而谐振器8的奇模可用来在增益曲线产生低端辐射零点，提高低端频率选择性，且该谐振器8上各主体部和折叠部的阻抗比可实现在不改变带宽的前提下控制低端辐射零点的频率位置。所述顶层贴片结构6以及所述底层贴片结构7之间的耦合产生高端辐射零点，提高天线的高端频率选择性。馈线13上加载的开路枝节12可用来抑制带外的高次模，达到提高天线频率高端带外抑制的目的。另外，对于工作带宽，可通过调控谐振器8和底层贴片结构7、以及底层贴片结构7与顶层贴片结构6之间的耦合来调控(具体可通过调整第三层介质基板和第二层介质基板之间的间距、第一层介质基板和第二层介质基板之间的间距实现)。
参考图7-9，一个具体的实施例中，介质基板均采用的是介电常数为3.38，损耗角为0.0027的RO4003C基板。天线的传输响应和辐射响应如图7所示，可见其工作在3.5GHz频带，10-dB匹配带宽为42％，在中心频率处的增益为9dBi。通带两侧出现的辐射零点使得通带边缘快速衰减，因此有明显的滤波特性。图8-9是在3.5GHz处的天线测试方向图，可见天线的交叉极化小于-28dB。
综上所述，本发明的宽带滤波天线，具有以下有益效果：本发明解决了传统设计技术存在的平面尺寸大的问题，在不增加原有天线平面尺寸的基础上，实现了天线的滤波性能；再者，利用层叠多贴片结合折叠式谐振器产生三个反射零点来拓展天线的工作带宽，带宽可达42％；而且，所述折叠式谐振器的奇模产生低端辐射零点，所述顶层贴片结构以及所述底层贴片结构之间的耦合产生高端辐射零点，从而达到提高工作频带两边频率选择性的效果；进一步地，通过调整折叠式谐振器的第一部分和第二部分的阻抗比，可以在保持带宽的前提下调控低端辐射零点；利用馈线上加载的短路枝节，抑制带外的高次模，达到提高天线频率高端处带外抑制的目的。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种宽带滤波天线，其特征在于，包括从上至下顺序设置的五层结构，其中，第一层结构包括顶层贴片结构，第二层结构包括底层贴片结构，第三层结构包括两个折叠式谐振器，第四层结构为开设了一对过孔的金属大地层，第五层结构包括馈电结构，所述馈电结构通过穿设所述一对过孔的一对金属通孔与所述两个折叠式谐振器连接，所述折叠式谐振器的偶模与所述顶层贴片结构以及所述底层贴片结构耦合产生三个反射零点，所述折叠式谐振器的奇模产生低端辐射零点，所述顶层贴片结构以及所述底层贴片结构之间的耦合产生高端辐射零点。
2.根据权利要求1所述的宽带滤波天线，其特征在于，所述两个折叠式谐振器对称设置，每一所述折叠式谐振器包括一字型的主体部和L型的折叠部，所述折叠部由所述主体部的长度方向的某个位置沿与主体部垂直的方向延伸后再垂直弯折形成。
3.根据权利要求1所述的宽带滤波天线，其特征在于，所述馈电结构包括功率分配线和加载了开路枝节的馈线，所述功率分配线和馈线相互垂直，所述馈线的首端设置于所述第五层结构的侧边缘，所述馈线的末端与所述功率分配线的长度方向的中间位置连接，所述馈线的首端和末端之间的某个位置加载所述开路枝节。
4.根据权利要求3所述的宽带滤波天线，其特征在于，所述开路枝节包括相互连接并垂直的第一部分和第二部分，所述第一部分的始端与所述馈线连接并垂直，所述第二部分自所述第一部分的末端沿靠近所述功率分配线的方向延伸形成。
5.根据权利要求1所述的宽带滤波天线，其特征在于，所述顶层贴片结构与所述底层贴片结构在水平方向上的投影重合，所述顶层贴片结构与所述底层贴片结构均包括两组矩形金属贴片，所述两组矩形金属贴片对称设置，所述两组矩形金属贴片的对称面与所述两个折叠式谐振器对称面重合，每一组所述矩形金属贴片包括对称设置的两个矩形金属贴片，所述两个矩形金属贴片的对称面与所述两个折叠式谐振器对称面垂直。
6.根据权利要求1所述的宽带滤波天线，其特征在于，所述第一层结构还包括顶面设置所述顶层贴片结构的第一层介质基板，所述第二层结构还包括顶面设置所述底层贴片结构的第二层介质基板，所述第三层结构还包括顶面设置所述两个折叠式谐振器的第三层介质基板，所述第五层结构包括底面设置所述馈电结构的第四层介质基板；
其中，第一层介质基板和第二层介质基板之间间隔一定距离，第二层介质基板和第三层介质基板之间间隔一定距离，所述金属大地层分别与所述第三层介质基板和第四层介质基板贴合；所述一对金属通孔穿透所述第四层介质基板和所述第三层介质基板。
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Application publication date: 20181221

Assignee: Nantong Zhijia Intelligent Equipment Co.,Ltd.

Assignor: NANTONG University

Contract record no.: X2023320000047

Denomination of invention: Broadband filter antenna

Granted publication date: 20200915

License type: Common License

Record date: 20230112

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Effective date of registration: 20230824

Address after: 226000 No. 9 Siyuan Road, Chongchuan District, Nantong City, Jiangsu Province

Patentee after: Nantong University Technology Transfer Center Co.,Ltd.

Address before: 226019 Jiangsu city of Nantong province sik Road No. 9 Institute of electronic and Information Engineering Nantong University

Patentee before: NANTONG University

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