CN110401026B - 一种具有近似椭圆滤波响应的磁电偶极子滤波天线 - Google Patents

一种具有近似椭圆滤波响应的磁电偶极子滤波天线 Download PDF

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种具有近似椭圆滤波响应的磁电偶极子滤波天线，馈电结构包括印制在双面覆铜介质板上层的耦合槽和印制在厚度为1mm的双面覆铜介质板下层的叉形微带功分器和U形短路枝节组成；辐射结构包括辐射贴片、耦合枝节和竖直短路墙；辐射贴片和耦合枝节分别印制在厚度为1.5mm双面覆铜介质板的上下层；竖直短路墙印制在两块厚度为0.5mm的单面覆铜介质板上。本发明实现了具有近似椭圆滤波响应的磁电偶极子滤波天线，并且实现了良好的滤波频率响应。本发明提出的具有近似椭圆滤波响应的磁电偶极子滤波天线大大拓宽了磁电偶极子天线在滤波天线领域的应用。

Description

一种具有近似椭圆滤波响应的磁电偶极子滤波天线
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种具有近似椭圆滤波响应的磁电偶极子滤波天线。
背景技术
目前，最接近的现有技术：业内实现滤波天线的方法主要有以下几种：第一种，用天线辐射器代替带通滤波器的最后一阶谐振器来实现滤波天线。基于滤波器综合原理，带通滤波器需要提前设计。这种方法虽然可以实现好的滤波响应，但是由带通滤波器中的多阶谐振器引入的***损耗，降低了天线的辐射增益。为了解决这个问题，提出了没有使用额外滤波电路的滤波天线的设计方法。它包括两方面，一方面，在天线馈电网络中引入谐振结构，另一方面，在天线辐射体上引入谐振结构。在谐振频率处，大部分能量被谐振结构截获而不能进行有效地辐射，进而产生辐射零点。但是，由于谐振结构的引入，前者会增加馈电网络的复杂性，占用额外的空间，增加天线的尺寸，后者会恶化天线的辐射方向图。除了使用谐振结构，交叉耦合滤波理论也经常用来设计滤波天线。其基本原理是，在拥有一条直接耦合路径的基础上，再创造两条交叉耦合路径，在要求的频点处，使得直接耦合路径上的信号与间接耦合路径上信号幅度相等，相位相反，实现抵消，进而产生辐射零点。除了上述方法，辐射抵消方法也被用来指导滤波天线设计。通过在天线辐射体上开槽，引入寄生贴片和短路柱，使得辐射体上的电流***成方向不同的几部分，实现辐射抵消，产生辐射零点，达到滤波的目的。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)现有基于滤波器综合原理设计的滤波天线，滤波器中多阶谐振器引入较大的***损耗，降低天线的增益；通过在天线辐射体或馈电网络中引入谐振结构，增加馈电网络的复杂性，影响天线的辐射方向图.
(2)交叉耦合设计方法，由于需要创造交叉耦合路径，只适用于特定的天线形式，适用范围有限。
(3)基于辐射相消原理设计的滤波天线，辐射方向图可能恶化。
(4)现有的滤波天线，带宽不够宽，不足以满足现代无线通信对宽带的要求。
解决上述技术问题的难度：解决***损耗大和降低天线增益问题，关键在于在实现滤波响应的前提下不引入多阶滤波器；解决带宽窄的问题，关键在于选择带宽宽的天线形式来实现滤波天线。
解决上述技术问题的意义：利用磁电偶极子的宽带特性和通带低频边缘固有的辐射零点，通过引入耦合枝节和U形短路枝节，在低频和高频通带边缘实现了辐射零点，获得了良好的滤波频带响应。由于没有使用额外的滤波电路，该天线实现了高的辐射增益和高的带外抑制比。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种具有近似椭圆滤波响应的磁电偶极子滤波天线。
本发明是这样实现的，一种具有近似椭圆滤波响应的磁电偶极子滤波天线，所述具有近似椭圆滤波响应的磁电偶极子滤波天线包括：馈电结构和辐射结构；
馈电结构包括印制在双面覆铜介质板上层的耦合槽和印制在厚度为1mm的双面覆铜介质板下层的叉形微带功分器和U形短路枝节组成；
辐射结构包括辐射贴片、耦合枝节和竖直短路墙；辐射贴片和耦合枝节分别印制在厚度为1.5mm双面覆铜介质板的上下层；竖直短路墙印制在两块厚度为0.5mm的单面覆铜介质板上。
具有近似椭圆滤波响应的磁电偶极子滤波天线包括辐射结构和馈电结构，其主要的结构参数为Ls,Ws,Le,We,Ld,Wd,D，其中Ls为耦合槽的长度，Ws为耦合槽的宽度，Le为辐射贴片的长度，We为辐射贴片的宽度，Ld为耦合枝节的长度，Wd为耦合枝节的宽度,D为垂直短路墙之间的间距。
进一步，所述馈电结构由微带线-槽耦合实现；叉形微带线功分器末端是圆形枝节。
进一步，竖直短路墙的上端连接耦合枝节，用于激励辐射贴片，下端与地平面相连，构成短路条件。
进一步，所述辐射结构为由辐射贴片、耦合枝节和竖直短路墙构成的磁电偶极子。
进一步，所述叉形微带功分器两分支末端是圆形枝节，用于阻抗匹配；槽线用于将叉形微带功分器的能量传递到竖直短路墙上；U形短路枝节用于抑制低频带外辐射。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述具有近似椭圆滤波响应的磁电偶极子滤波天线无线通信***。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明利用磁电偶极子天线在通带低频边缘的固有辐射零点，然后引入耦合枝节和U形短路枝节，分别在通带高频边缘和低频阻带实现了一个辐射零点，实现了具有近似椭圆滤波响应的磁电偶极子滤波天线。这种端射天线能够在53.5％的相对带宽内实现平稳的增益，对称的方向图，并且实现了良好的滤波频率响应。本发明提出的具有近似椭圆滤波响应的磁电偶极子滤波天线大大拓宽了磁电偶极子天线在滤波天线领域的应用。
本发明利用磁电偶极子天线在通带低频边缘固有的辐射零点，引入耦合枝节，以电容耦合的形式给辐射贴片馈电，在通带高频边缘引入了一个辐射零点，实现了良好的滤波响应。本发明为进一步提高带外辐射抑制水平，引入了两个U形短路枝节，在低频阻带成功地引入了一个辐射零点，将带外辐射抑制水平提高了5dB。此外，由于耦合枝节的引入，天线在高频引入了一个谐振点，实现了一个53.5％的相对阻抗带宽。同时，在整个工作频带内，天线获得了平稳的增益和对称的方向图。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
1、本发明利用磁电偶极子天线在通带低频边缘产生的固有的辐射零点，减小了滤波天线设计的复杂度，在辐射贴片下方引入耦合枝节，在不增加的剖面和引入滤波器的前提下，在通带高频边缘处实现了一个辐射零点，实现了良好的滤波响应。
2、本发明利用磁电偶极子实现滤波天线，利用电偶极子和磁偶极子的阻抗互补特性，实现了一个53.5％的相对带宽，大大提升了滤波天线的带宽。并且在整个工作频带内，天线获得了一个平稳的增益和对称的方向图。
3、本发明利用槽耦合激励和电容耦合馈电方式，与传统的磁电偶极子天线相比，该滤波天线在实现滤波频率响应的同时，实现了低剖面的特性。
4、本发明结构简单，加工方便，成本低，重量轻。本发明使用的槽耦合方式相对传统Γ形馈电而言，稳定性更强。
附图说明
图1是本发明实施例提供的具有近似椭圆滤波响应的磁电偶极子滤波天线的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的竖直短路墙、辐射贴片的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的叉形微带功分器、地平面的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的具有近似椭圆滤波响应的磁电偶极子滤波天线馈电结构示意图；
图中：1、叉形微带功分器；2、地平面；3、耦合槽；4、短路柱；5、竖直短路墙；6、辐射贴片；7、耦合枝节；8、U形短路枝节。
图5是本发明实施例提供的滤波天线的增益和驻波比的结果示意图。
图6是本发明实施例提供的滤波天线效率结果示意图。
图7是本发明实施例提供的滤波天线辐射方向图的结果示意图。
图中a：3GHz；b:4GHz；c:5GHz.
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有的滤波天线，带宽不够宽，不足以满足现代无线通信对宽带的要求的技术问题。本发明利用磁电偶极子天线在通带低频边缘的固有辐射零点，然后引入耦合枝节和U形短路枝节，分别在通带高频边缘和低频阻带实现了一个辐射零点，实现了具有近似椭圆滤波响应的磁电偶极子滤波天线。
下面结合附图对本发明的技术方案作详细的描述。
如图1-图4所示，本发明实施例提供的具有近似椭圆滤波响应的磁电偶极子滤波天线包括：叉形微带功分器1、地平面2、耦合槽3、短路柱4、竖直短路墙5、辐射贴片6、耦合枝节7、U形短路枝节8。
本发明实施例提供的具有近似椭圆滤波响应的磁电偶极子滤波天线的馈电结构包括：叉形微带功分器1、地平面2、耦合槽3、短路柱4、U形短路枝节8；叉形微带功分器1两分支末端是圆形枝节，起到阻抗匹配的效果。槽线用于将叉形微带功分器1的能量传递到竖直短路墙5上。U形短路枝节8用于抑制低频带外辐射。
本发明实施例提供的具有近似椭圆滤波响应的磁电偶极子滤波天线的辐射结构包括竖直短路墙5、辐射贴片6、耦合枝节7；辐射贴片6和耦合枝节7，分别印制在厚度为1.5mm双面覆铜介质板的上下层。竖直短路墙5印制在两块厚度为0.5mm的单面覆铜介质板上。
下面结合附图对本发明的技术效果作详细的描述。
如图5所示，本发明涉及的滤波天线的驻波比和增益的仿真与实测结果。结果表明，天线实现了53.5％的相对阻抗带宽(驻波比<1.5)。在增益曲线上实现了三个辐射零点，零点1和零点2分别在通带边缘，提高了天线通带的选择性。零点3在低频阻带内，有效的抑制了天线的带外辐射。在整个工作频带内，天线实现了平均8dBi的辐射增益和超过17.9dB的带外辐射抑制比，获得了良好的滤波频率响应。
如图6所示，本发明涉及的滤波天线的仿真和实测效率结果。结果表明，在通带内天线能够实现平均95％的仿真效率，实测效率为90％，表明天线能够将能量有效地辐射。在阻带内天线的效率为10％，能够对带外辐射实现有效地抑制。实测效率较仿真低，可能由天线测量***和接线误差所致。
如图7所示，本发明涉及的滤波天线的仿真和实测的辐射方向图结果。结果表明，在通带内天线实现了稳定的辐射方向图，几乎对称的E面和H面方向图，在3G，4G和5G频点处，E面相应的波束宽度为65°，72°和71°，H面相应的波束宽度为54°，87°和77°。在整个工作频带内，天线实现了低于-25dB的交叉极化和高于18dB的前后比，实现了低交叉极化和低后向辐射水平。
本发明利用了磁电偶极子天线在通带低频边缘固有的辐射零点，引入耦合枝节，以电容耦合的形式给辐射贴片馈电，在通带高频边缘引入了一个辐射零点，实现了良好的滤波响应。为了进一步提高带外辐射抑制水平，引入了两个U形短路枝节，在低频阻带成功地引入了一个辐射零点，将带外辐射抑制水平提高了5dB。此外，由于耦合枝节的引入，天线在高频引入了一个谐振点，实现了一个53.5％的相对阻抗带宽。同时，在整个工作频带内，天线获得了平稳的增益和对称的方向图。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种具有近似椭圆滤波响应的磁电偶极子滤波天线，其特征在于，所述具有近似椭圆滤波响应的磁电偶极子滤波天线包括：馈电结构和辐射结构；
馈电结构包括蚀刻在第一双面覆铜介质板的上层金属板上的耦合槽和印制在第一双面覆铜介质板下层的叉形微带功分器、两个U形短路枝节；
所述辐射结构包括两个辐射贴片、四个耦合枝节和两个竖直短路墙；
所述两个辐射贴片和四个耦合枝节分别印制在第二双面覆铜介质板的上下层，两个辐射贴片在第二双面覆铜介质板的上层，四个耦合枝节在第二双面覆铜介质板的下层，耦合枝节通过耦合作用将电磁能量传递至辐射贴片；
所述两个竖直短路墙分别印制在两块单面覆铜介质板上，每个竖直短路墙的上端分别与两个耦合枝节直接相连，用于激励辐射贴片；
所述两个竖直短路墙的下端与第一双面覆铜介质板的上层金属板直接相连，构成短路条件；
所述馈电结构中的叉形微带功分器两分支末端是圆形枝节，用于阻抗匹配；
所述馈电结构中的耦合槽为蚀刻于第一双面覆铜介质板的上层金属板上的一条缝隙，用于将叉形微带功分器的能量传递到天线的辐射结构，实现天线的馈电；
所述馈电结构中的两个U形短路枝节分别位于叉型微带功分器的两个叉型臂两侧，用于抑制低频带外辐射。
2.一种应用权利要求1所述具有近似椭圆滤波响应的磁电偶极子滤波天线的无线通信***。
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