CN109193147A - 一种采用带槽介质贴片的低剖面滤波天线 - Google Patents

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Abstract

本发明采用带槽介质贴片的低剖面滤波天线，包括自下而上依次层叠设置的金属反射地板、基板和介质贴片，基板上表面设有与介质贴片相连的馈线，用于直接馈电，介质贴片与馈线相连的一侧对称于该馈线连接处开设有一对内壁印刷金属的槽，所述介质贴片的介电常数为90。本发明介质贴片滤波天线具有结构简单，制作容易，体积小，剖面低等优点。通过引入的敷银槽，不仅可以实现天线的小型化，还能在较低的频带引入辐射零点，结合由介质贴片的高次模式所带来的辐射零点，天线可以获得良好的滤波特性。

Description

一种采用带槽介质贴片的低剖面滤波天线
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及低剖面的介质贴片滤波天线。
背景技术
在无线通信***中，天线和滤波器通常被设计成两个独立的部件。在这种情况下，需要它们各自的匹配电路和用于连接它们的附加传输线，这不可避免地增加了***尺寸，并引入了额外的损耗和负载效应。为了克服这一点，近年来，各种滤波器和天线的协同设计方法（也称滤波天线）得到了广泛的发展。设计方法主要可分为三类。方法一是设计带通/带阻滤波器和天线，然后将它们组合在一起。第二种方法是第一种方法的变形，天线既用作辐射器又用作过滤器的最后一级谐振器。然而，它们都属于级联设计，使得天线结构复杂，体积庞大，尤其是在馈电网络中。为解决级联设计问题，有学者提出了第三种方法：将一些滤波结构嵌入到天线辐射器中以实现增益的带通响应，这意味着天线辐射器本身具有滤波能力。因此，该方法是减小滤波天线尺寸和损耗的有效方法。此外，具有滤波特性的辐射器在双频段阵列中具有吸引力，可以减少在不同频率下工作的元件之间的相互耦合。
众所周知，介质谐振器天线作为一种典型的天线，具有体积小、重量轻、易于激励等优点。最近几年，介质谐振器滤波天线已成为高频应用的热点。 然而，基于上述第一和第二种方法设计的介质谐振器滤波天线的剖面较高且具有庞大的馈电结构。为了降低介质谐振器天线的剖面，在2013年有学者提出了一种高密度的介质贴片天线，它的主模（最低阶谐振模式）为TE11模式，具有微带贴片的相似电场分布。
经检索发现，中国发明专利申请CN 105720364 A公开了一种具有高选择性和低交叉极化的双极化滤波天线，无需额外的滤波电路，天线自身集成滤波特性和辐射特性，解决了传统级联型的滤波天线带来的***损耗与额外尺寸的问题。然而，缺陷在于：其结构复杂，且是在馈电网络上实现滤波特性，而不是天线辐射器本身具有滤波能力。
发明内容
本发明的目的在于：克服上述现有技术的缺陷，提出一种结构简单的采用带槽介质贴片的低剖面滤波天线。天线采用直接馈电的方式对介质贴片进行馈电。借助于介质贴片的非辐射高阶模式和在介质贴片中开设一对内壁印刷金属的槽，可以在不添加任何额外的滤波电路的情况下获得高端和低端两个辐射零点，使得天线辐射器本身具有滤波能力。同时，在对介质贴片开槽的过程中改变了天线的电长度，实现了天线的小型化。
为了达到上述目的，本发明提出的采用带槽介质贴片的低剖面滤波天线，包括自下而上依次层叠设置的金属反射地板、基板和介质贴片，所述基板上表面设有与介质贴片相连的馈线，用于直接馈电，所述介质贴片与馈线相连的一侧对称于该馈线连接处开设有一对内壁印刷金属的槽，所述介质贴片的介电常数大于40。
本发明介质贴片滤波天线，具有结构简单，制作容易，体积小，剖面低等优点。通过引入的敷银槽，不仅可以实现天线的小型化，还能在较低的频带引入辐射零点，结合由介质贴片的高阶模式产生的高频带辐射零点，天线可以获得良好的滤波性能。通过改变槽的长度和宽度，天线的工作频率及辐射零点所在的位置会同时发生规律性的改变，以便很容易地调谐到所需要的频率进行抑制。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明带槽介质贴片滤波天线立体图。
图2是本发明带槽介质贴片滤波天线的分解图。
图3是本发明带槽介质贴片滤波天线的俯视图。
图4是无槽介质贴片天线仿真反射系数(S11)和增益曲线图。
图5是本发明带槽介质贴片滤波天线仿真反射系数(S11)和增益曲线图。
图6是本发明带槽介质贴片滤波天线仿真和测试的反射系数(S11)和增益曲线对比图。
图7是本发明带槽介质贴片滤波天线在4.17GHz频率点下的仿真和测试的天线辐射E面方向图。
图8是本发明带槽介质贴片滤波天线在4.17GHz频率点下的仿真和测试的天线辐射H面方向图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1-图3所示，本实施例采用带槽介质贴片的低剖面滤波天线，包括自下而上依次层叠设置的金属反射地板1、基板2和介质贴片3，基板上表面设有与介质贴片相连的馈线4，用于直接馈电。本例中，基板2为印刷电路板，金属反射地板1印制于印刷电路板2的底面，馈线4印制于印刷电路板2顶面。介质贴片的一个侧面的中部印刷有矩形的金属馈电片5，馈线4与该金属馈电片5连接，介质贴片3与馈线4相连的一侧对称于金属馈电片5开设有一对内壁印刷金属银的矩形槽6，介质贴片3为微波介质陶瓷，其介电常数ε r= 90。本结构的滤波天线中，介质贴片的介电常数需大于40。
本实施例天线的参数见下表
参数 <i>W</i><sub>1</sub> <i>W</i><sub>2</sub> <i>L</i><sub>1</sub> <i>L</i><sub>2</sub> <i>h</i><sub>1</sub>
值（mm） 20 44 17 47 1.1
参数 <i>h</i><sub>2</sub> <i>l</i> <i>w</i> <i>d</i> <i>t</i>
值（mm） 0.813 7 0.95 9.8 0.8
W 1为介质贴的宽度，W 2为基板的宽度，L 1为介质贴片的长度，L 2为基板的长度，h 1为介质贴片的高度，h 2为基板的高度，l为槽长度，w为槽的宽度，d为两槽之间的距离，t为金属馈电片的高度。通过改变槽的长度l和宽度w能够调节天线的工作频率以及辐射零点所在的位置。通过改变金属馈电片的高度t能够调节天线的输入匹配。
介质贴片由高密度的陶瓷材料制成，用于替代微带金属贴片。介质贴片的主模（最低阶谐振模式）是TM11模式，其电场分布类似于微带贴片的电场分布。图4为直接由微带线馈电的无槽介质贴片天线的仿真反射系数(S11)和增益。由于介质贴片的上表面可近似为磁壁，因此TM11模式的辐射沿y轴方向的两条边，极化方向沿x轴。介质贴片的最低端的高阶模式HEM21的电场分布垂直于馈电微带线，所以不被激励(S11≈0dB)。更重要的是，HEM21模式在x轴极化方向没有辐射元素。因此，在此激励方式下可以得到一个固有的高端辐射零点。同时，高阶模式HEM12其电场分布与馈线平行，可以被激励，并且工作良好。
为了在低频段产生另一个辐射零点，以增强选择性，本实施例在介质贴片中蚀刻了一对沿x轴方向的槽，并在三个内表面印刷上银。图5为仿真的S11和增益。从图4和图5可以看出，敷银槽会拉低TM11和HEM21模式的频率。同时，反相电场场与槽垂直，因此附银槽可以在低频段产生另一个辐射零点。随着槽的长度l的增大，天线的工作频率减小，且低端和高端辐射零点是自适应的，具有稳定的高选择性。同时，槽的宽度w主要影响低端辐射零点，而对高端辐射零点影响很小。因此，这两个零可以独立地控制，以便可以很容易地调谐到所需的频率进行抑制。
对本实施例介质贴片滤波天线进行测试，测试结果与仿真相吻合，见图6。该天线具有较窄的滤波频带，在中心频率f 0 = 4.17 GHz处S11 &lt; -20 dB，在测量增益响应中可观察到4.02和4.31 GHz处的两个辐射零点，通带边缘陡峭，且具有较高的选择性。在4.17 GHz时测量到的最大增益为4.8 dB。在4.17 GHz频率点的E和H平面辐射图如图7、图8所示。测得的交叉极化比主极化低至少15 dB。从图中可以看出可以观察到模拟和测量结果之间的轻微差异，这可归因于制造和测量的误差。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种采用带槽介质贴片的低剖面滤波天线，包括自下而上依次层叠设置的金属反射地板、基板和介质贴片，所述基板上表面设有与介质贴片相连的馈线，用于直接馈电，所述介质贴片与馈线相连的一侧对称于该馈线连接处开设有一对内壁印刷金属的槽，所述介质贴片的介电常数大于40。
2.根据权利要求1所述的采用带槽介质贴片的低剖面滤波天线，其特征在于：所述基板为印刷电路板，所述金属反射地板印制于印刷电路板的底面，馈线印制于印刷电路板顶面。
3.根据权利要求1所述的采用带槽介质贴片的低剖面滤波天线，其特征在于：所述介质贴片的一个侧面的中部设置有金属馈电片，所述馈线与该金属馈电片连接。
4.根据权利要求2所述的采用带槽介质贴片的低剖面滤波天线，其特征在于：所述金属馈电片印刷设置于介质贴片的侧面。
5.根据权利要求3所述的采用带槽介质贴片的低剖面滤波天线，其特征在于：所述金属馈电片为矩形，下底边与介质贴片底面齐平，所述金属馈电片的高度t不超过介质贴片的高度。
6.根据权利要求5所述的采用带槽介质贴片的低剖面滤波天线，其特征在于：所述槽为矩形槽，槽的内壁涂覆金属为银、锰、铜、锡或镍。
7.根据权利要求5所述的采用带槽介质贴片的低剖面滤波天线，其特征在于：所述介质贴片位于基板的中心处，所述基板的宽度W 2=44mm，基板的长度L 2=47mm，所述基板的高度h 2=0.813mm，所述介质贴片的长度L 1=17mm，介质贴的宽度W 1=20mm，所述介质贴片的高度h 1=1.1mm，开槽宽度w=0.95mm，开槽长度l=7mm，两槽之间的距离d=9.8mm。
8.根据权利要求7所述的采用带槽介质贴片的低剖面滤波天线，其特征在于：所述介质贴片的介电常数约为90。
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