CN109742525B - 一种滤波天线 - Google Patents

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Abstract

一种滤波天线，其特征在于，包括辐射结构、滤波结构和馈电结构，所述辐射结构为上下层叠设置多个天线单元，所述滤波结构为上下层叠设置且依次耦合连通的多个谐振腔，所述滤波结构包括一输入端和一输出端，所述辐射结构与所述滤波结构上下层叠设置且通过所述输出端互相电连接，所述馈电结构一端与所述滤波结构的所述输入端电连接，另一端用于外接电源。本发明通过叠层结构有效的减小体积实现小型化，利用多级SIW腔级联获得宽带的滤波性能，能够在宽带频率范围内有效的抑制带外杂散信号的干扰。

Description

一种滤波天线
【技术领域】
本发明涉及微波通信领域，尤其涉及一种运用在通讯电子产品领域的滤波天线器件。
【背景技术】
随着5G作为全球业界的研发焦点，发展5G技术制定5G标准已经成为业界共识。毫米波独有的高载频、大带宽特性是实现5G超高数据传输速率的主要手段。毫米波频段丰富的带宽资源为高速传输速率提供了保障，但是由于该频段电磁波剧烈的空间损耗，利用毫米波频段的无线通信***需要采用相控阵的架构。通过移相器使得各个阵元的相位按一定规律分布，从而形成高增益波束，并且通过相移的改变使得波束在一定空间范围内扫描。天线与滤波器作为射频前端***中不可缺少的部件，在兼顾天线性能的同时，必然向着集成化、小型化的方向发展，如何在保证天线性能的同时解决小型化的结构设计，是目前天线技术研发中面临的难题。
【发明内容】
为了解决上述问题，本发明提出了一种集成化、小型化的滤波天线，具体包括辐射结构、滤波结构和馈电结构，所述辐射结构为上下层叠设置多个天线单元，所述滤波结构为上下层叠设置且依次耦合连通的多个谐振腔，所述滤波结构包括一输入端和一输出端，所述辐射结构与所述滤波结构上下层叠设置且通过所述输出端互相电连接，所述馈电结构一端与所述滤波结构的所述输入端电连接，另一端用于外接电源。
进一步的，所述辐射结构包括邻近所述滤波结构的第一天线单元和间隔设置于所述第一天线单元远离所述滤波结构一侧的第二天线单元，所述第一天线单元通过所述输出端与所述滤波结构电连接，所述第二天线单元与所述第一天线单元耦合。
进一步的，第一天线单元和所述第二天线单元均为所述微带贴片天线。
进一步的，所述滤波结构的每个所述谐振腔包括间隔设置的金属层和排布于所述金属层周缘且电连接所述金属层的金属化通孔。
进一步的，每个所述谐振腔的所述金属层上开设有耦合间隙以耦合连通与之相邻的所述谐振腔。
进一步的，相邻两金属层的耦合间隙错位排布。
进一步的，所述谐振腔的数量为4个。
进一步的，所述滤波结构的所述输入端包括第一金属探针，所述滤波结构的所述输出端包括第二金属探针，所述第一金属探针电连接所述馈电结构和邻近所述馈电结构的所述谐振腔的远离所述馈电结构的所述金属层，所述第二金属探针电连接所述辐射结构和邻近所述辐射结构的所述谐振腔的远离所述辐射结构的所述金属层。
进一步的，所述馈电结构为微带馈线。
本发明通过将滤波器与天线集成在一起，在很好地兼顾了天线性能的同时实现相应的滤波效果，通过叠层结构有效的减小体积实现小型化，利用多级SIW腔级联获得宽带的滤波性能，使用叠层天线获得宽带的的天线辐射性能，最终获得了一款紧凑的宽带的滤波天线，能够有效的抑制带外杂散信号的干扰。
【附图说明】
图1为本发明提供的滤波天线器件的整体结构的立体结构示意图；
图2为本发明提供的滤波天线器件的部分结构的分解结构示意图；
图3为图1所示的滤波天线器件沿C-C线的剖视图；
图4为本发明提供的滤波天线器件的反射系数图；
图5为本发明提供的滤波天线器件的总效率图；
图6为本发明提供的滤波天线器件的增益图。
图中，1、辐射结构2、滤波结构3、馈电结构11、第一天线单元12、第二天线单元21、第一谐振腔22、第二谐振腔23、第三谐振腔24、第四谐振腔31、微带馈线41、第一贴片层42、第二贴片层44、第一金属层45、第二金属层46、第三金属层47、第四金属层48、第五金属层51、第一介质基板52、第二介质基板53、第三介质基板54、第四介质基板55、第五介质基板56、第六介质基板57、第七介质基板61、第一通孔62、第二通孔63、第三通孔64、第四通孔65、第五通孔66、第六通孔71、第一金属探针72、第二金属探针81、第一耦合间隙82、第二耦合间隙83、第三耦合间隙91、第一金属化通孔92、第二金属化通孔93、第三金属化通孔94、第四金属化通孔A、输入端B、输出端。
【具体实施方式】
下面通过具体实施方式结合图1至图6对本发明作进一步详细说明，以便能够更好地理解本发明的内容以及其各方面的优点。在以下的实施例中，提供以下具体实施方式的目的是便于对本发明的内容更清楚透彻的理解，而不是对本发明的限制。
实施例1
如图1至图3所示，本实施例中提出的一种滤波天线，包括辐射结构1、滤波结构2和馈电结构3；所述辐射结构1为上下层叠设置的多个天线单元，具体为第一天线单元11和第二天线单元12，第一天线单元11和第二天线单元12间隔且耦合，向外辐射电磁波信号；所述滤波结构为上下层叠设置且依次耦合连通的多个谐振腔，具体为第一谐振腔21、第二谐振腔22、第三谐振腔23和第四谐振腔24，四个谐振腔之间依次耦合连接；所述滤波结构还包括一输入端A和一输出端B，辐射结构1与滤波结构2上下层叠设置且通过所述输出端B电连接，所述馈电结构3一端与滤波结构2的所述输入端A电连接，另一端用于外接电源。
需要说明的是，文中的“上下层叠设置”是指本发明的附图1中的位置关系，若所述滤波天线的摆放状态发生改变，则多个天线单元之间、多个谐振腔、辐射结构与滤波结构之间就不再是上下层叠设置。
第一天线单元11与第二天线单元12均为微带贴片天线，所述第一天线单元11邻近所述滤波结构2，所述第二天线单元12间隔设置于所述第一天线单元11远离所述滤波结构的一侧，具体为自上而下依次排列的第一贴片层41、第一介质基板51、第二贴片层42、第二介质基板52。第一贴片层41、第一介质基板51共同组成第二天线单元12；第二贴片层42、第二介质基板52共同组成第一天线单元11。
微带贴片天线的具体结构可根据实际使用情况选择，例如使用矩形、圆形、圆环、三角形、扇形、蛇形等，本实施例中，使用正方形微带贴片天线，即第一贴片层41、第二贴片层42的形状为正方形。
所述滤波结构2为SIW腔体滤波器，具体为自上而下依次排列的第一金属层44、第三介质基板53、第二金属层45、第四介质基板54、第三金属层46、第五介质基板55、第四金属层47、第六介质基板56和第五金属层48；第三介质基板53的周缘排布有多个间隔设置且电连接第一金属层44和第二金属层45的第一金属化通孔91，第一金属层44、第三介质基板53、第二金属层45及所述第一金属化通孔91共同围成所述第一谐振腔21；第四介质基板54的周缘排布有多个间隔设置且电连接第二金属层45和第三金属层46的第二金属化通孔92，第二金属层45、第四介质基板54、第三金属层46及所述第二金属化通孔92共同围成所述第二谐振腔22；第五介质基板55的周缘排布有多个间隔设置且电连接第三金属层46和第四金属层47的第三金属化通孔93，第三金属层46、第五介质基板55、第四金属层47及所述第三金属化通孔93共同围成所述第三谐振腔23；第六介质基板56的周缘排布有多个间隔设置且电连接第四金属层47和第五金属层48的第四金属化通孔94，第四金属层47、第六介质基板56、第五金属层48及所述第四金属化通孔94共同围成所述第四谐振腔24。第二金属层45、第三金属层46、第四金属层47上分别设有第一耦合间隙81、第二耦合间隙82和第三耦合间隙83，所述第一谐振腔21与第二谐振腔22通过第一耦合间隙81耦合连通，所述第二谐振腔22与第三谐振腔23通过第二耦合间隙82耦合连通，所述第三谐振腔23与第四谐振腔24通过第三耦合间隙83耦合连通。耦合间隙的形状可根据实际使用需求具体选择，可使用矩形、圆形、梯形等，第一耦合间隙81、第二耦合间隙82和第三耦合间隙83的形状可以相同也可以不同，可根据实际的使用需求具体选择，本实施例中，三个耦合间隙的形状相同，均选取矩形耦合间隙。
三个形状相同的耦合间隙的具体排列位置可以使用重叠排列方式或非重叠排列方式，所述重叠排列即三个耦合间隙的投影完全重合。本实施例中，第一耦合间隙81和第三耦合间隙83重叠排列，且分别位于第二金属层45、第四金属层47的两侧；第二耦合间隙82与第一耦合间隙81、第三耦合间隙非重叠排列、互为垂直排列关系，且位于第三金属层46的两侧。
本实施例中，所述滤波结构2的输入端A包括第一金属探针71，输出端B包括第二金属探针72，第二金属探针72实现第二金属层45与第二贴片层42的电连接，实现辐射结构1和滤波结构2的电连接；第一金属探针71实现第四金属层47与馈电结构3电连接。
本实施例中，所述第二介质基板52上开有第一通孔61，第一金属层44上开有第二通孔62，第三介质基板53上开设有第三通孔63，用于与第二金属探针72配合使用，即所述第二金属探针72贯穿第一通孔61、第二通孔62和第三通孔63以连接第二金属层45与第二贴片层42；所述第六介质基板56上开有第四通孔64、所述第五金属层48上开有第五通孔65，用于与第一金属探针71配合使用，即第一金属探针71贯穿第四通孔64和第五通孔65以连接第四金属层47与馈电结构3。
本实施例中，所述馈电结构3包括微带馈线31和第七介质基板57，所述第七介质基板57上具有第六通孔66，微带馈线31位于第七介质基板远离滤波结构3的底面，第一金属探针71穿过第六通孔66与微带馈线31电连接。实际使用中，可根据使用情况选择不同的馈电结构，如共面波导、同轴馈线等，不局限于微带馈线。
此外，本实施例中，滤波结构中的介质基板均使用LTCC材料。
如图4、图5、图6所示，为本发明所提出的的滤波天线的性能仿真图，图4为滤波天线反射性能仿真图、图5为滤波天线效率性能仿真图、图6为滤波天线增益性能仿真图。可以看出，本发明所提出的滤波天线，在25.66-29.6GHz频带范围内，天线回波损耗小于10dB(反射系数小于-10dB)，带外抑制在20dB以上，带内最大增益波动小于0.6dB，有效抑制了带外杂散信号的干扰，有效提高了天线性能。综上所述，本发明所提出的滤波天线在提高天线性能的同时实现了天线的小型化设计。
以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，所做出的变形和改变均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种滤波天线，其特征在于，包括辐射结构、滤波结构和馈电结构，所述辐射结构为上下层叠设置多个天线单元，所述滤波结构为上下层叠设置且依次耦合连通的多个谐振腔，所述滤波结构包括一输入端和一输出端，所述辐射结构与所述滤波结构上下层叠设置且通过所述输出端互相电连接，所述馈电结构一端与所述滤波结构的所述输入端电连接，另一端用于外接电源；
所述多个谐振腔包括第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔和第四谐振腔，所述滤波结构包括耦合连通所述第一谐振腔与所述第二谐振腔的第一耦合间隙、耦合连通所述第二谐振腔与第三谐振腔的第二耦合间隙以及耦合连通所述第三谐振腔与所述第四谐振腔的第三耦合间隙，所述第一耦合间隙和所述第三耦合间隙重叠排列，所述第二耦合间隙与所述第一耦合间隙、所述第三耦合间隙非重叠排列、互为垂直排列关系。
2.根据权利要求1所述的一种滤波天线，其特征在于，所述辐射结构包括邻近所述滤波结构的第一天线单元和间隔设置于所述第一天线单元远离所述滤波结构一侧的第二天线单元，所述第一天线单元通过所述输出端与所述滤波结构电连接，所述第二天线单元与所述第一天线单元耦合。
3.根据权利要求2所述的一种滤波天线，其特征在于，所述第一天线单元和所述第二天线单元均为微带贴片天线。
4.根据权利要求1所述的一种滤波天线，其特征在于，所述滤波结构的每个所述谐振腔包括间隔设置的金属层和排布于所述金属层周缘且电连接所述金属层的金属化通孔。
5.根据权利要求4所述的一种滤波天线，其特征在于，每个所述谐振腔的所述金属层上开设有耦合间隙以耦合连通与之相邻的所述谐振腔。
6.根据权利要求4所述的一种滤波天线，其特征在于，所述滤波结构的所述输入端包括第一金属探针，所述滤波结构的所述输出端包括第二金属探针，所述第一金属探针电连接所述馈电结构和邻近所述馈电结构的所述谐振腔的远离所述馈电结构的所述金属层，所述第二金属探针电连接所述辐射结构和邻近所述辐射结构的所述谐振腔的远离所述辐射结构的所述金属层。
7.根据权利要求1所述的一种滤波天线，其特征在于，所述馈电结构为微带馈线。
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