一种接地共面波导双工器天线

摘要

本发明提出了一种接地共面波导双工器天线，旨在实现双工器与天线的一体化设计，在保证双工器隔离度的同时，提高其电磁屏蔽性能。包括介质基板、印制在介质基板上表面一侧的两个开环谐振器、两条馈线和上接地板，另一侧的辐射贴片，以及印制在介质基板下表面的下接地板，其中上接地板下接地板通过侧棱贴片连接，两个开环谐振器分别通过接地短截线与上接地板连接，其开口形成电耦合，分别产生通道的右侧传输零点，两个接地短截线形成磁耦合，分别产生通道的左侧传输零点，上接地板、下接地板、两条馈线、侧棱贴片以及两个谐振器构成接地共面波导结构。本发明的体积小，电磁屏蔽性能好，可用于小型化射频前端系统。

说明书

技术领域

本发明属于微波天线技术领域，涉及一种集成设计的接地共面波导双工器天线，可用于小型化射频前端系统。

背景技术

微波器件的研究和发展是与通信制式以及无线应用的多样化发展密切相关的。当前，无线通信标准不断更新，无线通信技术应用日新月异，无线资源频谱不断向更高频段拓展，这些极大促进了射频前端技术向高性能、小型化、低成本和集成化的方向发展。

共面波导(Coplanar wave-guide,CPW)是由介质基板的一个表面上制备的三条金属带构成的一种共平面传输线，中间的金属带为信号带，两边的金属带同时接地，称为接地带。接地共面波导是在此传统共面波导基础上，在基板背面加接地带构成的平面传输线。

无线通信射频前端，基本都是双工的系统。双工器是必不可少的重要器件。作为一个三个端口电路，双工器可以将两个不同频段的信号一并从一个端口输入，并且在两个输出端口将信号分离开来而不相互影响，普遍应用于多工频点天线的收发模块中，其类型有波导双工器，同轴双工器，介质双工器，SAW双工器以及平面传输线双工器等。平面传输线双工器适应了当今小型化、低成本、高频段的发展要求，得到业界内很高的重视。隔离度为其重要指标。

要完成收发信号的滤波，双工器必须和天线配合工作。传统设计方法是将双工器和天线单独设计再进行级联，这样容易导致不同器件间阻抗失配，工作不协调，并且需要过渡段使电路体积增大。

对小功率射频前端电路，传统的平面双工器都采用微带线结构，当元件较多时由于其电磁屏蔽性有限，容易导致信号线间串扰。且微带结构在毫米波应用具有一定局限性。

传统的平面双工器由两个带通滤波器和匹配电路构成，匹配电路通常用T型结或者Y型结。这在一定程度上提高了隔离度。为进一步提高隔离度，很多设计都引入了传输零点，但是产生传输零点往往需要多个谐振器耦合，这无疑增大了电路尺寸，并且耦合的谐振器越多，带来的插入损耗越多。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种接地共面波导双工器天线，旨在实现双工器与天线的一体化设计，在保证双工器隔离度的同时，提高其电磁屏蔽性能。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种接地共面波导双工器天线，包括介质基板1，所述介质基板1的一侧上表面印制有上接地板2，下表面印制有下接地板4，并通过侧棱贴片5相连，该介质基板1的另一侧上表面印制有辐射贴片3；所述上接地板2由相对设置的第一L型金属贴片21、第二L型金属贴片22和位于该两个贴片之间的矩形金属贴片23组成；所述矩形金属贴片23，其与第一L型金属贴片21之间设置有第一开环谐振器6和第一馈线7，该第一开环谐振器6通过第一接地短截线10与第一L型金属贴片21相连，谐振器的开口形成电耦合，产生第一通道的右侧传输零点；所述矩形金属贴片23，其与第二L形金属贴片22之间设置有第二开环谐振器8和第二馈线9，该第二开环谐振器8通过第二接地短截线11与第二L形金属贴片22相连，谐振器的开口形成电耦合，产生第二通道的右侧传输零点；第一接地短截线10和第二接地短截线11分别形成磁耦合，产生每个通道的左侧传输零点；所述第一馈线7和第二馈线9通过第一金属导带12连接；所述辐射贴片3采用H型结构，并通过第二金属导带13与第一金属导带12直接连接；所述上接地板2、第一馈线7、第二馈线9、侧棱贴片5、第一开环谐振器6、第二开环谐振器8和下接地板4构成接地共面波导结构。

所述第一馈线7，其在第一开环谐振器6开口下方位置设置有馈线开口。所述第二馈线9，其在第二开环谐振器8开口上方位置设置有馈线开口。第一开环谐振器6和第二开环谐振器8都是二分之一波导波长谐振器，第一开环谐振器6其环的长度大于第二开环谐振器8的环的总长度。

一种接地共面波导双工器天线，包括介质基板1，所述介质基板1的一侧上表面印制有上接地板2，下表面印制有下接地板4，并通过侧棱贴片5相连，该介质基板1的另一侧上表面印制有辐射贴片3；所述上接地板2由相对设置的第一L型金属贴片21、第二L型金属贴片22和位于该两个贴片之间的矩形金属贴片23组成；所述金属贴片23，其与第一L型金属贴片21之间设置有第一环形谐振器6和第一馈线7，该第一环形谐振器6通过第一接地短截线10与第一L型金属贴片21相连；所述金属贴片23，其与第二L形金属贴片22之间设置有第二环形谐振器8和第二馈线9，该第二环形谐振器8通过第二接地短截线11与第二L形金属贴片22相连；第一接地短截线10和第二接地短截线11分别形成磁耦合，产生每个通道的左侧传输零点；所述第一馈线7和第二馈线9通过第一弯曲金属导带12连接；所述辐射贴片3采用H型结构，并通过第二金属导带13与第一弯曲金属导带12直接连接；所述上接地板2、第一馈线7、第二馈线9、侧棱贴片5、第一环形谐振器6、第二环形谐振器8和下接地板4构成接地共面波导结构。

所述的一种接地共面波导双工器天线，第一环形谐振器6，其环的总长度大于第二环形谐振器8的环的总长度。

所述下接地板4上设置有位于不同矩形槽内部的第一开环谐振器41和第二开环谐振器42；第一开环谐振器41位于第一环形谐振器6的下方，其开口形成电耦合，产生第一通道的右侧传输零点；第二开环谐振器42位于第二环形谐振器8的下方，其开口形成电耦合，产生第二通道的右侧传输零点；所述第一开环谐振器41环的总长度大于第二开环谐振器42环的总长度。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明采用了双工器与天线公用一块介质基板，通过集成设计的方法，解决了传统双工器与天线单独设计再级联时，器件间容易阻抗失配、协同性差甚至使系统性能恶化的问题，同时因为没有过渡段，减小了电路尺寸；同时通过谐振器的电、磁耦合路径产生传输零点，大大减小了耦合谐振器数量，在不会引起插入损耗的恶化的同时，进一步减小了电路尺寸，实现了小型化。

2.本发明由上接地板、第一馈线、第二馈线、下接地板和两个谐振器构成接地共面波导结构。接地共面波导由于导带和接地板共平面，而且背面又增加了接地板，与目前广泛使用的微带传输线电路相比，更有效地提高了电磁屏蔽性，大大降低了相邻信号线之间的串扰，使电路能够更密集集成；和传统共面波导相比，接地共面波导电路由于背面接地板的存在不仅提高了电路的功率容量，而且增加了电路的机械强度。

3.本发明通过接地短截线的磁耦合和谐振器开口的电耦合引入传输零点，传输零点在双工器电路中能够极大改善频率选择性，增加隔离度，保证有效滤除双工器天线的杂波，提高器件性能；具体来说，通过电磁耦合控制传输零点，磁耦合和电耦合形成了两条独立的耦合路径，从而可以通过单独控制磁耦合和电耦合来调控传输零点，有效地保证了双工器的隔离度，提高了双工器的性能，仿真结果证明，本发明的双工器的隔离度达到30dB以上。

4.本发明涉及的共面波导电路及其设计思想还具有在毫米波频段应用的巨大的潜在价值。

5.本发明结构简单，易于制作加工，体积较小，易集成，成本低廉，可广泛应用于射频和微波通信系统中。

附图说明

图1为本发明实施例1的整体结构示意图；

图2为本发明实施例1的上表面的结构示意图；

图3为本发明实施例2的俯视图；

图4为本发明实施例2下表面结构示意图；

图5为本发明实施例1的第二接地短截线11的宽度w₆控制左侧传输零点的仿真结果图；

图6为本发明实施例1的第二开环谐振器8的开口宽度s₈控制右传输零点的仿真结果图；

图7为本发明实施例1中的辐射贴片结构中，宽度w₈控制第二个中心频率的仿真结果图；

图8为本发明实施例1中双工器的频率响应仿真结果图；

图9为本发明实施例1的双工器天线频率响应仿真结果图；

图10为本发明实施例2中的变形双工器频率响应仿真结果图；

图11(a)为本发明的双工器天线3.5GHz的E面共极化和交叉极化辐射方向图；图11(b)为本发明的双工器天线3.5GHz的H面共极化和交叉极化辐射方向图；

图12(a)为本发明的双工器天线1.8GHz的E面共极化和交叉极化辐射方向图；图12(b)为本发明的双工器天线1.8GHz的H面共极化和交叉极化辐射方向图。

具体实施方式

以下结合附图的具体实施例，对本发明作进一步详细描述。

实施例1

参照图1，一种接地共面波导双工器天线，包括介质基板1，介质基板1的相对介电常数为2.2，介质基板1厚度为0.8mm。

所述介质基板1的一侧上表面印制有上接地板2，下表面印制有下接地板4，并通过侧棱贴片5相连，该介质基板1的另一侧上表面印制有辐射贴片3；所述上接地板2由相对设置的第一L型金属贴片21、第二L型金属贴片22和位于该两个贴片之间的矩形金属贴片23组成；所述矩形金属贴片23，其与第一L型金属贴片21之间设置有第一开环谐振器6和第一馈线7，该第一开环谐振器6通过第一接地短截线10与第一L型金属贴片21相连，谐振器的开口形成电耦合，产生第一通道的右侧传输零点；所述矩形金属贴片23，其与第二L形金属贴片22之间设置有第二开环谐振器8和第二馈线9，该第二开环谐振器8通过第二接地短截线11与第二L形金属贴片22相连，谐振器的开口形成电耦合，产生第二通道的右侧传输零点；第一接地短截线10和第二接地短截线11分别形成磁耦合，产生每个通道的左侧传输零点；所述第一馈线7和第二馈线9通过第一金属导带12连接；所述辐射贴片3采用H型结构，并通过第二金属导带13与第一金属导带12直接连接，不需要过渡段。所述上接地板2、第一馈线7、第二馈线9、侧棱贴片5、第一开环谐振器6、第二开环谐振器8和下接地板4构成接地共面波导结构。

所述第一馈线7，其在第一开环谐振器6开口下方位置设置有馈线开口；所述第二馈线9，其在第二开环谐振器8开口上方位置设置有馈线开口；上述一种接地共面波导双工器天线，第一馈线7，其与第一开环谐振器6开口下方位置设置有馈线开口；所述第二馈线9，其在第二开环谐振器8开口上方位置设置有馈线开口。

本实施例的上表面的结构示意图，如图2所示，第一开环谐振器6长度l₁为34mm，宽l₂为1.6mm，其导带宽度w₁为0.4mm，开口宽度s₁为1.3mm；第一开环谐振器6与第一L型金属贴片21的间隙s₄为0.4mm，接地短截线10的宽度w₅为0.6mm；第一开环谐振器6的左右两边距离第一L型金属贴片21的距离s₅为0.6mm；第一开环谐振器6与第一馈线7间距s₃为0.2mm，第一馈线6的开口宽度s₂为0.6mm，第一馈线的宽度w₄为2mm，第一馈线6与矩形接地板23的距离s₆为0.74mm。

本实施例的上表面的结构示意图，如图2所示，第二开环谐振器8长度l₃为15.2mm，宽l₄为1.3mm，其金属导带宽度非均匀，其中w₂为0.6mm，w₃宽度0.3mm，第二开环谐振器8的开口s₈为0.1mm；第二开环谐振器8与第二L型金属贴片22之间的间隙s₁₀为0.2mm，第二开环谐振器8与第二馈线9的距离s₉为0.1mm，接地短截线11的宽度w₆为0.3mm；第二开环谐振器8左右两边距离第二L型金属贴片22的距离s₁₁为0.1mm；w₇为0.7mm；第二馈线9开口间距s₇为0.1mm，宽度w₄为2mm。

本实施例的上表面的结构示意图，如图2所示，第二金属导带13与第一馈线7的距离l₉为12mm；第二金属导带13与第二馈线9的距离l₁₀为33.5mm。

本实施例的上表面的结构示意图，如图2所示，辐射贴片3的左侧底部与上接地板2的距离l₅为13.9mm，辐射贴片3的长度l₈为35.9mm，辐射贴片宽度w₈为20mm；其他尺寸l₆为23.4mm，l₇为9mm，w₉为5mm。

实施例2

参照图3和图4，本实施例仅对双工器的结构进行了改变，辐射贴片部分可用类似结构，最后集成为双工器天线。

一种接地共面波导双工器天线，包括与实施例1同样的介质基板1，所述介质基板1的一侧上表面印制有上接地板2，下表面印制有下接地板4，并通过侧棱贴片5相连，该介质基板1的另一侧上表面印制有辐射贴片3；所述上接地板2由相对设置的第一L型金属贴片21、第二L型金属贴片22和位于该两个贴片之间的矩形金属贴片23组成；所述金属贴片23，其与第一L型金属贴片21之间设置有第一环形谐振器6和第一馈线7，该第一环形谐振器6通过第一接地短截线10与第一L型金属贴片21相连；所述金属贴片23，其与第二L形金属贴片22之间设置有第二环形谐振器8和第二馈线9，该第二环形谐振器8通过第二接地短截线11与第二L形金属贴片22相连；第一接地短截线10和第二接地短截线11分别形成磁耦合，产生每个通道的左侧传输零点；所述第一馈线7和第二馈线9通过第一弯曲金属导带12连接；所述辐射贴片3采用H型结构，并通过第二金属导带13与第一弯曲金属导带12直接连接，不需要过渡段；所述上接地板2、第一馈线7、第二馈线9、侧棱贴片5、第一环形谐振器6、第二环形谐振器8和下接地板4构成接地共面波导结构。

所述的一种接地共面波导双工器天线，下接地板4上设置有位于不同矩形槽内部的第一开环谐振器41和第二开环谐振器42；第一开环谐振器41位于第一环形谐振器6的下方，其开口形成电耦合，产生第一通道的右侧传输零点；第二开环谐振器42位于第二环形谐振器8的下方，其开口形成电耦合，产生第二通道的右侧传输零点；所述第一开环谐振器41环的总长度大于第二开环谐振器42环的总长度。

本实施例的俯视图，如图3所示，第一环形谐振器6的长l₁₀为26mm，宽l₁₁为3.9mm，导带的宽度w₁₁为1.2mm，w₁₂为2mm。接地短截线10的宽度w₁₀为1mm；第一馈线7中间的开口宽度s₁₂为0.5mm；第一环形谐振器6与第一馈线7之间的间隙s₁₃为0.1mm。

第二环形谐振器8的长l₁₂为17.5mm，宽l₁₃为4.7mm，导带的宽度w₁₄为1.2mm，w₁₅为2mm。接地短截线11的宽度w₁₃为1.3mm；第二馈线9的开口宽度s₁₄为0.5mm；第二环形谐振器8与第二馈线9之间的间隙s₁₅为0.1mm。

本实施例的下表面的结构示意图，如图4所示，第一开环谐振器41长度l₁₄为27.6mm，宽度l₁₅为7.3mm，导带的宽度w₁₆为1.7mm，w₁₇为1.8mm；开口宽度s₁₆为0.2mm。

第二开环谐振器42的长度l₁₆为18.7mm，宽l₁₇为6.6mm，导带的宽度w₁₈为1.6mm，w₁₉为1.8mm，开口宽度s₁₇为0.1mm。

以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明。

1.仿真条件和内容。

1.1利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实施例1的第二接地短截线11的宽度w₆控制左侧传输零点进行仿真计算，结果如图5所示。

1.2利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实施例1的第二开环谐振器8的开口大小s₈控制右侧传输零点进行仿真计算，结果如图6所示。

1.3利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实施例1中的辐射贴片结构的宽度w₈控制第二个中心频率进行仿真计算，结果如图7所示。

1.4利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实施例1中的双工器的频率响应进行仿真计算，结果如图8所示。

1.5利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实施例1的双工器天线的频率响应进行仿真计算，结果如图9所示。

1.6利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实施例2中的变形双工器的频率响应进行仿真计算，结果如图10所示。

1.7利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实施例1的远场辐射方向图进行仿真计算，结果如图11所示，其中：11(a)为实施例1双工器天线在3.5GHz的E面共极化和交叉极化辐射方向图，11(b)为实施例1双工器天线在3.5GHz的H面共极化和交叉极化辐射方向图辐射方向图。

1.7利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实施例1的远场辐射方向图进行仿真计算，结果如图12所示，其中：12(a)为实施例1双工器天线在1.8GHz的E面共极化和交叉极化辐射方向图，12(b)为实施例1双工器天线在1.8GHz的H面共极化和交叉极化辐射方向图辐射方向图。

2.仿真结果。

参照图5，图中实线表示第二接地短截线11宽度w₆为0.4mm的仿真结果，虚线表示w₆为0.6mm的仿真结果。可以看到，第二接地短截线11宽度w₆越宽，左侧传输零点越靠近通道中心频率，但是右侧传输零点的位置几乎没有任何变化。左传输零点主要由磁耦合控制。

参照图6，图中实线表示第二开环谐振器8开口的宽度s₈为0.2mm的仿真结果，虚线表示s₈为0.6mm的仿真结果。仿真结果表明，电耦合开口s₈越大，每个通道的右侧传输零点越远离该通道中心频率，而左侧传输零点基本保持不变。因此耦合间距s₈主要控制右侧传输零点的位置，也就是说滤波器右侧传输零点主要是电耦合控制的。

结合发明实施例1的仿真1.1和仿真1.2可以得出结论，每个通道的传输零点可以通过控制电磁耦合的强度来单独调控。

参照图7，图中实线和虚线分别表示辐射贴片的宽度w₈为20mm和16mm的仿真结果，仿真结果表明，辐射贴片宽度w₈为20mm时，天线的第二个工作频率为3.5GHz，辐射贴片宽度w₈为16mm时，第二工作频率为3.8GHz，而辐射贴片的第一个工作频率几乎没有变化。因此可得出w₈主要控制辐射贴片的第二个工作频率。

参照图8，可知该双工器的工作频率分别为1.8GHz和3.5GHz，带宽分别为0.2MHz和0.4MHz，回波损耗分别为25dB和15dB。

参照图9，可知该双工器天线的工作频率分别为1.8GHz和3.5GHz，带宽分别为0.14MHz和0.1MHz，回波损耗分别为15dB和12dB。

参照图10，可知该变形双工器的工作频率分别为1.8GHz和3.5GHz，带宽分别为0.31MHz和0.28MHz，回波损耗分别为20dB和21dB。

参照图11和图12，由图可知，双工器天线在不同工作频率下，其在不同方向发射、接收电磁波的能力有差异。

以上描述仅是本发明的二个具体实例，并未构成本发明的任何限制。显然对于本专业领域的人员来说，在了解本发明的内容和原理后，都可能在不背离本发明原理结构的情况下，进行形式、参数以及工作频率上的改变。例如，在本发明的开环谐振器为矩形的示例下，三角形开环、梯形开环谐振器等等都可以用来设计双工器；例如在本发明的辐射贴片为H型的示例下，梯形辐射贴片、三角形辐射贴片、圆形辐射贴片以及其他形状的结构都可以用来设计双频天线，其设计思想是相通的。但是这些基于本发明思想的修改仍在本发明的权利要求保护范围之内。