CN115986377A - 一种差分双频滤波天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种差分双频滤波天线，属于无线能量传输领域，包括方形介质基板、接地金属板、方形贴片、一对差分底馈激励源、一对辐射边缘阶跃阻抗谐振器以及一对非辐射边缘阶跃阻抗谐振器；所述接地金属板设置在介质基板下表面，所述方形贴片设置在介质基板上表面，所述的一对差分底馈激励源贯穿所述介质基板、接地金属板和方形贴片；所述一对辐射边缘阶跃阻抗谐振器分别连接在方形贴片的两个辐射边缘上；所述一对非辐射边缘阶跃阻抗谐振器分别连接在方形贴片的两个非辐射边缘上。本发明可以同时在两个通带内运行，成功满足了双通带2.4GHz、5.2GHz WLAN需求，并且提高了频率选择性和带外抑制水平。
Description
技术领域
本发明属于无线能量传输领域，涉及一种差分双频滤波天线。
背景技术
随着通信技术更新迭代，现如今正式进入5G时代，通信技术渗透到我们所处的各个领域，影响着我们的生活。通信新材料的逐渐突破使得各种通信的移动设备和可穿戴设备涌入日常生活中,提升我们通信便捷度的同时,对无线通信设备提出了更高的要求。第五代通信技术(5G)的标准对数字无线通信信道的数量提出了更高要求，因而拓展射频元器件的通信信道成为一大热门研究内容，进而推动了多频天线技术的发展。
在传统的通信***设计中，滤波器和天线通常被单独设计，当天线与滤波器级联时，往往需要附加额外的阻抗匹配网络，这种传统设计方法对设备小型化趋势来说是一个挑战，并且这种设计方法在提高***整体的通信性能方面存在着很大的局限性。在当今通信频段的细分,业务的扩展的情况下，单一通带的射频前端已经无法满足现在的需求。因此，研究设计多频段滤波天线具有更高实用意义和更加广泛的应用场景。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种差分双频滤波天线，简化整体结构，降低成本，同时满足双通带运行，并获得良好的滤波性能。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种差分双频滤波天线，包括方形介质基板、接地金属板、方形贴片、一对差分底馈激励源、一对辐射边缘阶跃阻抗谐振器以及一对非辐射边缘阶跃阻抗谐振器；
所述接地金属板设置在介质基板下表面，所述方形贴片设置在介质基板上表面，所述的一对差分底馈激励源贯穿所述介质基板、接地金属板和方形贴片；
所述一对辐射边缘阶跃阻抗谐振器分别连接在方形贴片的两个辐射边缘上；
所述一对非辐射边缘阶跃阻抗谐振器分别连接在方形贴片的两个非辐射边缘上。
进一步，所述接地金属板、方形贴片、辐射边缘阶跃阻抗谐振器和非辐射边缘阶跃阻抗谐振器的厚度相同。
进一步，所述的一对差分底馈激励源激励方形贴片的TM10模式，以形成一个运行在2.4GHz下的操作通带。
进一步，所述一对辐射边缘阶跃阻抗谐振器分别连接在方形贴片的两个辐射边缘上，在5.2GHz附近引入一个谐振点以形成双通带，在两个通带之间引入一个可控辐射零点。
进一步，所述一对非辐射边缘阶跃阻抗谐振器分别连接在方形贴片的两个非辐射边缘上，再次在5.2GHz附近引入一个谐振点拓宽上通带的阻抗带宽，并在在上通带边缘引入一个可控辐射零点。
进一步，所述方形贴片的长为20.5mm，宽为20.5mm，所述辐射边缘阶跃阻抗谐振器的长8.4mm，宽为5.3mm，所述辐射边缘阶跃阻抗谐振器通过一根长为3.6mm，宽为2.0mm的连接线连接方形贴片的辐射边缘；所述非辐射边缘阶跃阻抗谐振器的长为15.4mm，宽为7.4mm，所述非辐射边缘阶跃阻抗谐振器通过一根长为1.0mm，宽为6.2mm的连接线连接方形贴片的非辐射边缘。
进一步，所述方形介质基板的长为60mm，宽为60mm，厚度为3.175mm。
进一步，所述介质基板的相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。
进一步，所述差分底馈激励源沿水平x轴放置，其距离为7mm，馈线直径为1mm。
本发明的有益效果在于：
(1)利用一对差分驱动端口激励方形贴片的TM10模式，以形成一个运行在2.4GHz下的操作通带。在方形贴片的辐射边缘加载一对阶跃阻抗谐振器，旨在5.2GHz附近引入一个谐振点以形成双通带，此时还可以在两个通带之间引入一个可控辐射零点，从而提高滤波性能。此外，在方形贴片的非辐射边缘加载另一对阶跃阻抗谐振器，这将再次在5.2GHz附近引入一个谐振点拓宽上通带的阻抗带宽，同时在上通带边缘引入一个可控辐射零点，提高下阻带的滤波性能。
(2)此天线双通带的工作中心频率分别为2.43GHz、5.31GHz，相对带宽分别为2.47％(2.40-2.46GHz)、6.78％(5.13-5.49GHz)，可实现最大增益分别达到了6.3dBi、9.4dBi。
(3)在拓宽上通带带宽的同时实现了双通带运行，并且保持着低剖面，剖面高度为0.026λ0。天线成功运行在2.4GHz、5.2GHz WLAN频带下，并且具有非常好的滤波性能，具有一定的工程实用价值。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为差分双频滤波天线立体结构图；
图2为差分双频滤波天线的尺寸示意图；
图3为差分双频滤波天线的S参数和可实现增益曲线仿真图；
图4为差分双频滤波天线E面、H面归一化方向图，其中(a)为2.43GHz E面方向图，(b)为2.43GHz H面方向图，(c)为5.31GHz E面方向图，(d)为5.31GHz H面方向图。
附图标记：接地金属板1、介质基板2、方形贴片3、差分底馈激励源4、辐射边缘阶跃阻抗谐振器5、非辐射边缘阶跃阻抗谐振器6。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
参见附图1，本发明提供一种差分双频滤波天线，该天线包括接地金属板1、介质基板2、方形贴片3、差分底馈激励源4、辐射边缘阶跃阻抗谐振器5、非辐射边缘阶跃阻抗谐振器6。所述介质基板2上表面放置一个方形贴片3并在方形贴片3的辐射边缘加载一对辐射边缘阶跃阻抗谐振器5，在方形贴片3的非辐射边缘加载一对非辐射边缘阶跃阻抗谐振器6，此外还包括一对贯穿介质基板2、接地金属板1和方形贴片3的差分底馈激励源4。
接地平面与介质基板大小相同，均长为60mm，宽为60mm。方形贴片的长为20.5mm,宽为20.5mm。辐射边缘阶跃阻抗谐振器5的长为8.4mm，宽为5.3mm，其与方形贴片的连接线的长为3.6mm，宽为2.0mm。非辐射边缘阶跃阻抗谐振器的长为15.4mm，宽为7.4mm，其与方形贴片的连接线的长为1.0mm，宽为6.2mm。差分底馈激励源金属化过孔之间的距离为7mm，馈线直径为1mm。介质基板的厚度为3.175mm，接地平面、方形贴片、两对阶跃阻抗谐振器的铜厚均为0.017mm。
介质基板材料选用了The Rogers Duroid 5880，相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。
完成上述的初始设计之后，使用高频电磁仿真软件HFSS2020.R2进行仿真分析，经过仿真优化之后得到各项参数尺寸如表1所示：
表1
| a＝60.0 | <![CDATA[l<sub>1</sub>＝3.6]]> | <![CDATA[l<sub>2</sub>＝8.4]]> | <![CDATA[l<sub>3</sub>＝1.0]]> |
| b＝20.5 | <![CDATA[w<sub>1</sub>＝2.0]]> | <![CDATA[w<sub>2</sub>＝5.3]]> | <![CDATA[w<sub>3</sub>＝6.2]]> |
| S＝7.0 | h＝3.175 | t＝0.017 |
参照附图2，a为介质基板和接地平面的长和宽，b为方形贴片的长和宽，l1、w1为辐射边缘阶跃阻抗谐振器连接线的长和宽，l2、w2为辐射边缘阶跃阻抗谐振器长和宽，l3、w3为非辐射边缘阶跃阻抗谐振器连接线的长和宽，l4、w4为非辐射边缘阶跃阻抗谐振器的长和宽，S为差分底馈激励源之间的距离，h为介质基板厚度，t为所有金属层的厚度。
依照表1中的参数，使用HFSS对所设计的一种基片集成波导滤波天线的反射系数S11特性参数和可实现增益进行仿真分析，其分析结果如下：
图3为本发明的仿真得到的S参数和可实现增益仿真随频率变化的曲线图。如图3所示，从S11在-10dB以下工作频带分别为2.40-2.46GHz和5.13-5.49GHz，带宽达到了2.47％和6.78％。仿真的可实现增益曲线表明，带内最大可实现增益达分别到了6.3dBi、9.4dBi，且在通带内增益响应平坦。此外，在两通带之间和通带上边缘各有一个辐射零点，提高了带外抑制水平和选择性。图4中的(a)为2.43GHz E面方向图，(b)为2.43GHz H面方向图，(c)为5.31GHz E面方向图，(d)为5.31GHz H面方向图，从图中可以看出，天线具有良好的边射辐射特性。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种差分双频滤波天线，其特征在于：包括方形介质基板、接地金属板、方形贴片、一对差分底馈激励源、一对辐射边缘阶跃阻抗谐振器以及一对非辐射边缘阶跃阻抗谐振器；
所述接地金属板设置在介质基板下表面，所述方形贴片设置在介质基板上表面，所述的一对差分底馈激励源贯穿所述介质基板、接地金属板和方形贴片；
所述一对辐射边缘阶跃阻抗谐振器分别连接在方形贴片的两个辐射边缘上；
所述一对非辐射边缘阶跃阻抗谐振器分别连接在方形贴片的两个非辐射边缘上。
2.根据权利要求1所述的差分双频滤波天线，其特征在于：所述接地金属板、方形贴片、辐射边缘阶跃阻抗谐振器和非辐射边缘阶跃阻抗谐振器的厚度相同。
3.根据权利要求1所述的差分双频滤波天线，其特征在于：所述的一对差分底馈激励源激励方形贴片的TM10模式，以形成一个运行在2.4GHz下的操作通带。
4.根据权利要求1所述的差分双频滤波天线，其特征在于：所述一对辐射边缘阶跃阻抗谐振器分别连接在方形贴片的两个辐射边缘上，在5.2GHz附近引入一个谐振点以形成双通带，在两个通带之间引入一个可控辐射零点。
5.根据权利要求4所述的差分双频滤波天线，其特征在于：所述一对非辐射边缘阶跃阻抗谐振器分别连接在方形贴片的两个非辐射边缘上，再次在5.2GHz附近引入一个谐振点拓宽上通带的阻抗带宽，并在在上通带边缘引入一个可控辐射零点。
6.根据权利要求1所述的差分双频滤波天线，其特征在于：所述方形贴片的长为20.5mm，宽为20.5mm，所述辐射边缘阶跃阻抗谐振器的长8.4mm，宽为5.3mm，所述辐射边缘阶跃阻抗谐振器通过一根长为3.6mm，宽为2.0mm的连接线连接方形贴片的辐射边缘；所述非辐射边缘阶跃阻抗谐振器的长为15.4mm，宽为7.4mm，所述非辐射边缘阶跃阻抗谐振器通过一根长为1.0mm，宽为6.2mm的连接线连接方形贴片的非辐射边缘。
7.根据权利要求1所述的差分双频滤波天线，其特征在于：所述方形介质基板的长为60mm，宽为60mm，厚度为3.175mm。
8.根据权利要求1所述的差分双频滤波天线，其特征在于：所述介质基板的相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。
9.根据权利要求1所述的差分双频滤波天线，其特征在于：所述差分底馈激励源沿水平x轴放置，其距离为7mm，馈线直径为1mm。
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