一种基于带通滤波器原型的平面低剖面微带滤波天线

摘要

本发明提供了一种基于带通滤波器原型的平面低剖面微带滤波天线，属于通信技术领域，包括介质基板和地板，本发明提供了基于带通滤波器原型的滤波天线技术，可以在不使用外加滤波电路和复杂寄生结构的条件下，实现具有高带外抑制水平的辐射滤波响应。同时，所提出的滤波天线物理形式为微带耦合线馈电双贴片辐射器，结构十分简单易加工。共面波导‑槽线‑微带线转换结构既用作巴伦，又用作功率分配器，旨在激励差分耦合线，通过引入混合电磁耦合馈电技术来提升频率选择性和带外抑制水平。该微带滤波天线具有较低的剖面和紧凑的结构，有利于射频前端小型化和集成化设计。

说明书

技术领域

本发明属于滤波天线技术领域，尤其涉及一种基于带通滤波器原型的平面低剖面微带滤波天线。

背景技术

天线和滤波器作为射频前端两个重要组件，其中，天线负责接收/发射电磁信号，滤波器负责滤波干扰信号，它们的性能对无线通讯系统的整体工作质量起到决定性作用。为了顺应无线通信系统小型化和集成化的发展趋势，近年来，滤波天线技术被提出并受到广泛关注。滤波天线技术可以将传统滤波器的滤波功能和天线的辐射功能集成在同一器件中，从而可以有效的减小射频前端体积、降低损耗和改善系统整体性能。

现有的滤波天线技术通常采用以下四种方案：（1）直接将辐射器级联到滤波电路的输出端口，通过共同调节天线和滤波器的参数实现阻抗匹配。无需在滤波器和天线之间级联额外的匹配网络就可以实现较好的匹配效果。这种技术方案的具体实现形式包括但不仅限于在腔体滤波器表面开槽、在微带滤波器输出端口级联贴片天线等；（2）在传统滤波器的基础上，使用辐射器作为滤波电路的最后一阶谐振单元。同时可以借助滤波电路和辐射器的谐振作用来展宽滤波天线的带宽。该技术方案的具体实现形式包括利用腔体滤波电路激励半模辐射腔体、利用枝节谐振滤波电路耦合馈电单极子天线等；（3）在传统天线周围放置频率选择表面（Frequency Selection Surface: FSS），FSS通带内的辐射场可以穿过FSS天线罩，而带外的辐射场就被束缚在罩内；（4）在传统天线结构中加载寄生结构实现频率选择特性，从而在不使用外加滤波电路的条件下实现滤波响应。具体的天线形式包括贴片天线、磁电偶极子天线、介质谐振天线等，具体的加载结构包括寄生贴片、缺陷地结构、金属过孔等。以上所述就是目前常用的四种滤波天线技术方案。

就上述方案（1）而言，直接将辐射器级联到滤波器的输出端口固然可以消除匹配电路的负面影响，但是，滤波电路仍然占据较大的体积，并且带来一定的插入损耗。因此，这种方案对射频前端集成度的提升和整体性能的改善是十分有限的，还远远无法满足通讯系统对射频前端小型化的需求。就上述方案（2）而言，相比方案（1），通过将辐射器作为滤波电路的最后一阶谐振器，滤波天线的集成度得到小幅提升。但是，和方案（1）存在相同的问题，滤波电路的存在占用了较大的体积，并引入插入损耗，导致滤波天线辐射效率降低。就上述方案（3）而言，在天线外围加载FSS天线罩，不可避免的会导致器件体积非常庞大，集成度较低；同时，FSS天线罩会引入额外的损耗，导致天线辐射效率降低；另外，FSS天线罩也会极大的增加加工成本。就上述方案（4）而言，相比方案（1）（2）（3），由于没有使用滤波电路/天线罩，使得器件小型化程度得到极大提升。但是，各种复杂寄生结构的引入导致滤波天线的设计过程十分繁复；寄生结构也会引入寄生模式，导致带外抑制水平不高；同时，复杂寄生结构导致滤波天线结构较为复杂，极大的增加了加工、组装和调试的难度。

综上所述，现有滤波天线技术方案（1）和（2）受限于滤波电路的存在，所设计出的滤波天线在小型化和集成度方面的提升十分有限；方案（3）由于FSS天线罩的存在，存在整体体积庞大、天线辐射效率较低、加工成本较高的问题；方案（4）存在滤波天线设计过程繁复、带外抑制水平不高、天线结构复杂等问题。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于带通滤波器原型的平面低剖面微带滤波天线，可以在不使用外加滤波电路和复杂寄生结构的条件下，实现具有高带外抑制水平的辐射滤波响应。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

本方案提供一种基于带通滤波器原型的平面低剖面微带滤波天线，包括：介质基板，所述介质基板下表面印刷有地板和馈电端口，所述馈电端口的馈线为共面波导馈线，所述地板中央刻蚀有哑铃型缝槽，所述共面波导馈线穿插于所述哑铃型缝槽中心，并端接四分之一波长半波长联接短路枝节，所述介质基板上表面印刷有两个完全相同且沿X轴对称分布的圆形辐射贴片，所述圆形辐射贴片四周均环绕有微带耦合线结构，所述微带耦合线结构沿X轴对称分布，并端接半波长联接短路枝节，且在中部通过位于介质基板上表面的微带线联接结构联接，所述共面波导馈线、哑铃型缝槽以及微带线联接结构共同组成共面波导-槽线-微带线转换结构。

进一步地，所述介质基板的材料为F4BME220，介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，其厚度为0.508mm。

再进一步地，所述微带线联接结构的微带耦合线为联接线，且其呈封闭形式。

再进一步地，所述共面波导-槽线-微带线转换结构中引入有混合电磁耦合。

再进一步地，所述基于带通滤波器原型的平面低剖面微带滤波天线包括如下参数：

所述地板的长度

所述地板的宽度

所述共面波导馈线端口部分的长度

所述共面波导馈线插入哑铃型缝槽部分的长度

所述共面波导馈线所端接的四分之一波长半波长联接短路枝节的长度

所述哑铃形缝槽的总长度

所述微带线联接结构的长度

所述微带线联接结构的宽度

所述半波长联接短路枝节的长度

所述半波长联接短路枝节联接部分的长度

所述共面波导馈线的宽度

所述共面波导馈线插入哑铃型缝槽的宽度

所述微带线联接结构的微带耦合线宽度

所述哑铃型缝槽两翼的宽度

所述哑铃型缝槽中部的宽度

所述哑铃型缝槽两翼的长度

所述微带线联接结构中部微带耦合线两翼的宽度

所述微带线联接结构中部微带耦合线中央的宽度

所述微带线联接结构的微带耦合线间距

所述圆形辐射贴片的半径

所述微带耦合线联接结构的微带耦合线内半径

所述微带耦合线联接结构的微带耦合线外半径

所述共面波导馈线的缝槽宽度

所述介质基板的厚度

其中，

再进一步地，所述半波长联接短路枝节的长度

其中，

再进一步地，所述圆形辐射贴片的半径

其中，

本发明的有益效果：

（1）本发明提供了基于带通滤波器（Bandpass Filter: BPF）原型的滤波天线技术，可在不使用外加滤波电路和复杂寄生结构的条件下，实现具有高带外抑制水平的辐射滤波响应，天线的结构十分简洁、带外抑制水平较高。同时，所提出的滤波天线物理形式为微带耦合线馈电双贴片辐射器，结构十分简单易加工。

（2）在该天线中采用了共面波导-槽线-微带线转换结构，该结构能够将非平衡信号转换为平衡信号，激励差分耦合线；同时，又作为功分器，实现对两个贴片天线的同相激励。

（3）该天线结合了混合电磁耦合馈电机制来改善滤波效果，该馈电机制直接集成在共面波导-槽线-微带线转换结构中，从而在不增加天线馈电结构复杂度的前提下，提升了天线的频率选择性。其中，磁耦合通过槽线实现，电耦合则直接通过馈线与微带线之间分布电容实现。

（4）本发明中共面波导馈线可以直接印刷在地面层，从而不增加金属层数，实现天线的低剖面平面设计。

（5）该天线中两个贴片天线共享同一馈电结构，使得在不增加天线整体复杂度的前提下，实现了高增益辐射。

（6）该滤波天线仅由单层基板印刷而成，剖面极低（0.017λ

附图说明

图1为本发明中基于带通滤波器原型的平面低剖面微带滤波天线透视图，其中，图1（a）为分层透视图；图1（b）整体透视图

图2为本发明中基于带通滤波器原型的平面低剖面微带滤波天线平面视图，图2（a）为俯视图；图2（b）局部结构俯视图（左图为金属层-1局部结构，右图为金属层-2局部结构）；图2（c）为侧视图

图3为本实施例中滤波天线的带宽、增益响应示意图。

图4为本实施例中滤波天线的辐射方向图，其中，图4（a）为9.92 GHz的滤波天线的辐射方向图；图4（b）为10.1 GHz滤波天线的辐射方向图。。

其中，1-地板，2-介质基板，3-馈电端口，4-哑铃型缝槽，5-微带线联接结构，6-微带耦合线结构，7-辐射贴片，8-半波长联接短路枝节。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

本发明提供了基于带通滤波器（Bandpass Filter: BPF）原型的滤波天线技术，可以在不使用外加滤波电路和复杂寄生结构的条件下，实现具有高带外抑制水平的辐射滤波响应。同时，所提出的滤波天线物理形式为微带差分耦合线馈电双贴片辐射器，结构十分简单易加工。共面波导-槽线-微带线转换结构既用作巴伦，又用作功率分配器，旨在激励差分耦合线。通过引入混合电磁耦合馈电技术来提升频率选择性和带外抑制水平。其中，磁耦合通过槽线实现，电耦合则直接通过馈线与微带线之间分布电容实现。

如图1-图2所示，一种基于带通滤波器原型的平面低剖面微带滤波天线，介质基板2，所述介质基板2下表面印刷有地板1和馈电端口3，所述馈电端口3的馈线为共面波导馈线，所述地板1中央刻蚀有哑铃型缝槽4，所述共面波导馈线穿插于所述哑铃型缝槽4中心，并端接四分之一波长半波长联接短路枝节，所述介质基板2上表面印刷有两个完全相同且沿X轴对称分布的圆形辐射贴片7，所述圆形辐射贴片7四周均环绕有微带耦合线结构6，所述微带耦合线结构6沿X轴对称分布，并端接半波长联接短路枝节8，且在中部通过位于介质基板2上表面的微带线联接结构5联接，所述共面波导馈线、哑铃型缝槽4以及微带线联接结构5共同组成共面波导-槽线-微带线转换结构。共面波导-槽线-微带线转换结构中引入有混合电磁耦合。

本实施例中，本发明所提出的微带滤波天线仅由单层介质基板2和两层金属层构成。介质基板2下表面印刷有地板1和馈线，其中馈线为共面波导形式；地板1中央刻蚀了一个哑铃型缝槽4，共面波导馈线从哑铃型缝槽4中心穿插过去，并端接四分之一波长半波长联接短路枝节8；介质基板2上表面印刷有两个完全相同的沿x轴对称分布的圆形辐射贴片7，辐射贴片7四周环绕着微带线；微带线也沿着x轴对称分布，并在中部联接，呈封闭形式；共面波导馈线、哑铃型缝槽4和微带线联接结构6共同组成了共面波导-槽线-微带线转换结构，该结构可以将输入的非平衡信号转化为平衡信号，并将信号功分成两路，从而实现对两个辐射贴片的等幅同相激励。

本实施例中，本发明所提出的微带滤波天线基于带通滤波器设计原理，贴片天线即作为辐射器，又作为带通滤波电路的谐振器，从而可以实现辐射滤波的功能。该天线的工作过程为：非平衡信号从馈电端口3输入，通过共面波导进行传输，首先激励起哑铃型缝槽4；哑铃型缝槽4上激励起的电磁场将进一步激励上层中部的微带联接线，微带联接线上就会出现沿着x轴的表面电流，该过程就实现了非平衡信号到平衡信号的转化；微带联接结构5会将平衡信号等幅分配到两侧的微带线上，形成差分模式；最终，差分微带线通过电耦合方式激励起辐射贴片7的定向辐射模式。其中，微带线端接半波长联接枝节8，该枝节通过沿着y轴的电壁实现虚短路，其效果等同于半波长短路枝节，该方法可以省去过孔金属化，简化加工过程。另外，在共面波导-槽线-微带线转换结构中引入了混合电磁耦合，其中，磁耦合作为主耦合是通过缝隙实现的，而较弱的电耦合是通过共面波导馈电和微带联接线之间的垂直分布电容实现的。在通带中，电耦合比磁耦合弱得多，因此带内辐射性能几乎不受电耦合影响；而在带外，磁耦合信号会变弱，并和弱电耦合信号产生反相抵消，导致辐射贴片7的辐射场十分微弱，从而提升了带外抑制水平。

本实施例中，该天线使用的介质基板2材料为F4BME220，介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，为低损耗基板，其厚度为0.508mm。介质基板2下表面印刷有地板1和共面波导馈线，上表面印刷有辐射贴片7和微带耦合线，印刷铜层厚度为0.035mm。图1和图2展示了滤波天线的整体结构和主要参数，其中，图1（a）为分层透视图；图1（b）整体透视图，图2为（a）俯视图；图2（b）局部结构俯视图（左图为金属层-1局部结构，右图为金属层-2局部结构）；图2（c）为侧视图，图3和4展示了滤波天线的带宽、增益响应、和辐射方向图，由图3可知：该天线具有高带外抑制水平的平面低剖面微带滤波天线性能：回波反射系数和增益，由图4可知：该天线具有高带外抑制水平的平面低剖面微带滤波天线方向，其中，图4（a）9.92 GHz；图4（b）10.1 GHz。天线性能说明：-10 dB阻抗带宽为：3.7% (9.82~10.19GHz)；峰值增益为10.57 dBi；带外抑制水平达到30dB,有两个辐射零点。

所述地板1的长度

所述地板1的宽度

所述共面波导馈线端口部分的长度

所述共面波导馈线插入哑铃型缝槽4部分的长度

所述共面波导馈线所端接的四分之一波长半波长联接短路枝节的长度

所述哑铃形缝槽4的总长度

所述微带线联接结构5的长度

所述微带线联接结构5的宽度

所述半波长联接短路枝节8的长度

所述半波长联接短路枝节8联接部分的长度

所述共面波导馈线的宽度

所述共面波导馈线插入哑铃型缝槽的宽度

所述微带线联接结构5的微带耦合线宽度

所述哑铃型缝槽4两翼的宽度

所述哑铃型缝槽4中部的宽度

所述哑铃型缝槽4两翼的长度

所述微带线联接结构5中部微带耦合线两翼的宽度

所述微带线联接结构5中部微带耦合线中央的宽度

所述微带线联接结构5的微带耦合线间距

所述圆形辐射贴片7的半径

所述微带耦合线联接结构6的微带耦合线内半径

所述微带耦合线联接结构6的微带耦合线外半径

所述共面波导馈线的缝槽宽度

所述介质基板2的厚度

其中，

其中，

本实施例中，可以通过此公式计算出半波长联接直接的理论值，再通过仿真软件进行优化；主要由基板介电常数和器件中心频率决定。

所述圆形辐射贴片7的半径

其中，

本实施例中，该公式为工程经验公式，可以通过该公式计算出圆形辐射贴片的理论值作为模型初始值，再通过仿真软件进行优化；主要由基板介电常数、基板高度和器件中心频率决定。