CN108808269A - 基于滤波巴伦的多层结构集成滤波天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于滤波巴伦的多层结构集成滤波天线，主要解决传统单层微带结构的滤波天线体积较大的问题。其包括介质基板、滤波部分和辐射单元。介质基板包括两层微带介质基板和金属地面；滤波部分包括输入端口、位于介质基板左侧的滤波巴伦，以及与其相连的两个输出端口；滤波巴伦包括刻蚀在上层介质基板上的两个面对面的C形二阶阶梯阻抗谐振器和刻蚀在下层介质基板上表面的两个背靠背的C形二阶阶梯阻抗谐振器；辐射单元刻蚀在上层介质基板的上表面，其包括两条的微带线，两个蝶形印刷偶极子和一个引向器。本发明具有结构紧凑、带宽宽、频率边缘选择性高和带外抑制好的优点，可用于无线通信系统射频前端。

Description

基于滤波巴伦的多层结构集成滤波天线

技术领域

本发明属于微波器件技术领域，特别涉及多层结构集成滤波天线，可用于无线通信系统射频前端。

背景技术

近年来，无线通信技术的发展越来越迅速，人们对通信系统的性能和体积方面的要求也越来越高，各微波通信元器件的性能越来越朝着多功能化和集成化方向发展，外形方面也越来越朝着小型化、轻便化方向发展。

无线通信系统是由发送设备、接收设备和无线信道三大部分组成的，利用无线电磁波，以实现信息和数据传输的系统。它根据工作频段或传输手段分类，可以分为中波通信、短波通信、超短波通信、微波通信和卫星通信。天线和滤波器

是无线通信系统中两个不可或缺的部件，其中天线负责将高频电振荡变成电磁波向传输媒质辐射和将空间传播到其上的电磁波转换为高频电振荡。滤波器负责从工作频段中选出我们所感兴趣的频段。作为射频前端电路最重要的两个元器件，天线和滤波器的尺寸和性能对整个系统的通信质量起着至关重要的作用。

最开始的滤波器天线设计方法是分别单独设计滤波器和天线，然后通过在二者之间添加与之相匹配的网络或结构，使得天线与滤波器之间的反射减小阻抗更加匹配。然而这种方法也存在许多弊端，如增加了系统设计的工作量，不匹配可能会引起系统性能的恶化，同时也会增加系统尺寸。

近年来,许多学者探索出了一体化设计滤波天线的方法。这套综合设计方法着眼于天线和滤波器的整体性能，依据带通滤波器的综合方法，用天线代替滤波器的最后一级谐振器和负载阻抗，使得天线在起辐射作用的同时也充当滤波器的谐振单元，从而构成一体化结构紧凑的滤波天线。

2015年，J.Shi和X.Wu在IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters期刊(vol.14,pp.1573–1576,2015)上发表了“A Compact Differential Filtering Quasi-Yagi Antenna With High Frequency Selectivity and Low Cross-PolarizationLevels”，论文中提出了一种具有滤波响应的差分准八木天线，但是辐射器没有作为滤波器的谐振器，这不利于减小尺寸和降低损耗。

2015年，C.X.Mao和S.Gao等人在IEEE Transactions Antennas and Propagation期刊(Vol.63,No.12,2015,pp.5492–5499.)上发表了“Integrated Filtering Antennawith Controllable Frequency Bandwidth”，论文中滤波器和天线的集成设计拓宽了带宽，提高了频率选择性和获得了更平坦的增益，然而，额外的滤波电路被引入到天线馈电网络中，导致了插入损耗增大。

2016年Tang.H和Chen J.X等人在IEEE Transactions on ComponentsPackaging&Manufacturing Technology期刊(No.6,2016,pp.1408-1416.)发表“Integration design of filting antenna with load-insensitive balun filter”，论文中采用单层微带介质基板上布线，方便了加工，然而当所工作的频段较低时，所设计的滤波天线的尺寸会比较大，从而造成整个系统的体积偏大，不能很好地满足微波器件日益严格的小型化要求。

发明内容

本发明针对上述已有技术的不足，提出一种基于滤波巴伦的多层结构集成滤波天线，已减小天线体积，降低插入损耗，提高天线效率。

为实现上述目的，本发明基于滤波巴伦的多层结构集成滤波天线，包括滤波部分1、基板部分2和辐射单元3其特征在于：

基板部分2包括两层微带介质基板21，22和最下层的金属地板23；

滤波部分1包括输入端口微带线11，两个输出端口微带线12，13和刻蚀在上层介质基板21上下表面左侧的滤波巴伦14；

辐射单元3采用刻蚀在上层介质基板21上表面右半部分的准八木天线，该准八木天线包括：两条λ/4微带线31，32、两个蝶形印刷偶极子33，34和一个引向器35；第一λ/4微带线31的右端与第一蝶形印刷偶极子33相连，第一微带线31的左端与滤波巴伦输出端口微带线12相连；第二λ/4微带线32的右端与第二蝶形印刷偶极子34相连，第二λ/4微带线32的左端与滤波巴伦输出端口微带线13相连；引向器35位于两蝶形个印刷偶极子33，34的右侧并与其水平平行。

本发明与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明由于采用两层微带介质基板，且紧密压在一起，与同频段的单层微带结构的滤波天线相比，整体尺寸更小，实现了滤波天线体积的小型化和轻薄化，加工成本更低，更加便于与微波射频系统的其他元器件集成；

2.本发明由于在准八木天线的馈电端引入滤波巴伦14，用滤波巴伦代替从微带线结构过渡到共面带状线的馈电结构，能将单端的非平衡输入信号转换成平衡输出信号并且对蝶形印刷偶极子进行馈电，有利于蝶形印刷偶极子表面电流平衡，可保证天线方向性，提高辐射效率；并在传输差模信号的同时能有效抑制了共模信号，起到阻抗变换的作用，实现天线的阻抗匹配，提高了对整体滤波天线的带外抑制；

3.本发明馈电部分的滤波巴伦采用两个面对面的C形二阶阶梯阻抗谐振器和两个背靠背的C形二阶阶梯阻抗谐振器，并分别蚀刻在上下层介质基板的上表面，使多层滤波巴伦尺寸更小，有效减小滤波天线尺寸；

4.本发明的馈电部分采用两层高介电常数微带介质基板，有效减小了天线尺寸；同时增强了上下两层各谐振器之间的电耦合，扩展了滤波巴伦的带宽，提高了滤波天线的带宽；

5.本发明的辐射单元采用蝶形印刷偶极子代替传统的矩形结构，增加了天线的谐振模式，拓展了滤波天线的带宽；

6.本发明馈电部分的两个输出端口微带线在所有外拐角采用45度的切角处理，减小了传输过程中信号的反射，减小了天线损耗，提高滤波天线的阻抗匹配性能。

附图说明

图1为本发明的三维结构图；

图2为图1上层介质基板上部的正面结构图；

图3为图1下层介质基板上部滤波巴伦的局部放大正面结构图；

图4为图1下层介质基板上部的局部放大正面结构图；

图5为图1的左视结构图；

图6为本发明实施例的反射系数S₁₁曲线图；

图7为本发明实施例的XOY面和YOZ面方向图；

图8为本发明实施例的增益曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例和效果作详细说明：

实施例1，工作在2.45GHz的基于滤波巴伦的多层结构集成滤波天线。

参照图1，本实例包括滤波部分1、基板部分2和辐射单元3。其中：基板部分2由两层介质基板21、22，金属地板23组成；辐射单元3由两条λ/2微带线31、32，两个蝶形印刷偶极子33、34和引向器35组成。滤波部分1由输入端口微带线11，输出端口微带线12、13和滤波巴伦14组成，该滤波巴伦14由两个面对面的C形λ/2二阶阶梯阻抗谐振器141、142和两个背靠背的C形λ/2二阶阶梯阻抗谐振器143、144组成。

输入端口微带线11，输出端口微带线12、13，两条半波长微带线31、32，第一C形λ/2二阶阶梯阻抗谐振器141，第一反C形λ/2二阶阶梯阻抗谐振器142，两个蝶形偶极子33、34和引向器35均蚀刻在上层介质基板21的上表面；第二反C形λ/2二阶阶梯阻抗谐振器143、第二C形λ/2二阶阶梯阻抗谐振器144蚀刻在下层介质基板22的上表面，第二反C形λ/2二阶阶梯阻抗谐振器143、第二C形λ/2二阶阶梯阻抗谐振器144分别位于第一C形λ/2二阶阶梯阻抗谐振器141，第一反C形λ/2二阶阶梯阻抗谐振器142的下方，并与其上下平行；下层介质基板22的下表面镀铜形成金属地板23。

第一λ/4微带线31的左端与第一反C形λ/2二阶阶梯阻抗谐振器142上端连接，右端与第一蝶形印刷偶极子33连接；第二λ/4微带线32的左端与第一反C形λ/2二阶阶梯阻抗谐振器142下端连接，右端与第二蝶形印刷偶极子34连接，这两个蝶形印刷偶极子采用蝶形结构代替传统的矩形结构，拓展了滤波天线的带宽；引向器35在两个蝶形印刷偶极子33、34的右侧且与这两个蝶形印刷偶极子平行放置。

输入端口微带线11下端与第一C形λ/2二阶阶梯阻抗谐振器141上端相连；第一输出端口微带线12的左端与第一反C形λ/2二阶阶梯阻抗谐振器142上端相连，右端与第一λ/4微带线31相连；第二输出端口微带线13的左端与第一反C形λ/2二阶阶梯阻抗谐振器142的下端相连，右端与第二λ/4微带线32相连。

参照图2，本实例中辐射单元的参数设置如下

辐射单元的两条λ/4微带线31和32尺寸相同，长度均为λ_g/4，其中λ为工作波长，本实例取第一λ/4微带线31的长度为l₁₁＝16mm，宽度为w₁₁＝3.5mm，第二λ/4微带线32的长度为l₁₂＝16mm，宽度为w₁₂＝3.5mm，第一λ/4微带线31与第二λ/4微带线32通过一个间隔s₂＝0.8mm的缝隙隔开；两个蝶形印刷偶极子33、34的尺寸相同，第一蝶形印刷偶极子33的短边宽w₁₅＝5mm，长边宽w₁₇＝9.6mm，长l₁₅＝24mm；第二蝶形印刷偶极子34的短边宽w₁₆＝5mm，长边宽w₁₈＝9.6mm，长l₁₆＝24mm；引向器在两个蝶形印刷偶极子右侧，宽w₁₉＝8mm，长l₁₇＝29mm，与其间隔为d＝9mm。

参照图5，本实例中介质基板的参数设置如下

所述两层微带介质基板21、22，采用介电常数ε_r为3.5、厚度h为0.508mm的介质材料，其中ε_r取值范围在3.5到7.5，由于高介电常数ε_r意味着更小的介质波长，天线尺寸不变介电常数提高会导致天线工作频率下降。本实例中仅取ε_r为3.5，下层介质基板下表面为覆铜的金属接地板23；

该实施例所实现的基于滤波巴伦的多层结构集成滤波天线的总尺寸为：长度为80mm，宽度为72mm，高度为1.016mm。

参照图2，图3和图4，本实例中滤波部分的参数设置如下：

中输入端口微带线11的长t₀＝15mm，宽w₀＝2.4mm；两条对称的输出端口微带线12和13的形状和尺寸相同，第一输出端口微带线12周长l₁₁＝39.8mm，宽w₁₁＝2.4mm；第二输出端口微带线13周长l₁₂＝39.8mm，宽w₁₂＝2.4mm。两条条输出端口微带线各包含3个外角和3个内角共6个拐角，所有外拐角采用45度的切角处理。

滤波巴伦的第一层是两个面对面的C形λ/2二阶阶梯阻抗谐振器141、142，沿中心中线对称。分别是第一C形λ/2二阶阶梯阻抗谐振器141和第一反C形λ/2二阶阶梯阻抗谐振器142。第一C形λ/2二阶阶梯阻抗谐振器141，其形状类似字母C，且沿中心中线对称，其由五阶微带线组成。第一阶的长l₁、宽w₁与第五阶的长l₅、宽w₅尺寸相同，即l₁＝l₅＝4.6mm，w₁＝w₅＝2.5mm；第二阶的长l₂、宽w₂与第四阶的长l₄、宽w₄尺寸相同，即l₂＝l₄＝4.6mm，w₂＝w₄＝0.5mm；第三阶的长l₃＝9mm，宽w₃＝2.5mm。该第一C形λ/2二阶阶梯阻抗谐振器141通过渐变线的方式从100Ω匹配到50Ω的输入端口微带线11。

第一反C形λ/2二阶阶梯阻抗谐振器142类似反字母C，沿中心中线对称，也由五阶微带线组成。第一阶的长l₆、宽w₆与第五阶的长l₁₀、宽w₁₀尺寸相同，即l₆＝l₁₀＝4.6mm，w₆＝w₁₀＝3.2mm；第二阶的长l₇、宽w₇与第四阶的长l₉、宽w₉尺寸相同，即l₇＝l₉＝5.5mm，w₇＝w₉＝0.5mm；第三阶的长l₈＝9mm，w₈＝3.2mm；

所述第一C形λ/2二阶阶梯阻抗谐振器141与第一反C形λ/2二阶阶梯阻抗谐振器142通过一个间隔为s₁＝0.2mm的缝隙隔开。

滤波巴伦的第二层是两个背靠背且尺寸相同的C形λ/2二阶阶梯阻抗谐振器143、144，沿中心中线对称。分别为第二反C形λ/2阶梯阻抗谐振器143和第二C形λ/2阶梯阻抗谐振器144。第二反C形λ/2阶梯阻抗谐振器143形状类似反字母C，由五阶微带线组成。第一阶的长k₁、宽q₁与第五阶的长k₅、宽q₅尺寸相同，即k₁＝k₅＝5mm，q₁＝q₅＝0.6mm；第二阶的长k₂、宽q₂与第四阶的长k₄、宽q₄尺寸相同，即k₂＝k₄＝3mm，q₂＝q₄＝0.3mm；第三阶的长k₃＝13mm，宽q₃＝0.3mm；第二C形λ/2阶梯阻抗谐振器144与第二反C形λ/2阶梯阻抗谐振器143尺寸相同，形状相反，通过宽度为s₀＝0.3mm的缝隙隔开。

实施例2，工作在2.16GHz的基于滤波巴伦的多层结构集成滤波天线。

参照图1，本实例的结构与实施例1的结构相同，其参数设置如下：

介电常数ε_r＝4.5，蝶形印刷偶极子垂直长度为26mm，短边长5.2mm，长边长10mm。辐射单元的两条λ/4微带线31和32尺寸相同，其宽度与实施例1所给的宽度参数相同，其长度均为λ_g/4，式中λ为工作波长。

构成滤波部分的输入端口微带线，两条输出端口微带线，滤波巴伦的两个面对面的C形λ/2二阶阶梯阻抗谐振器和两个背靠背的C形λ/2二阶阶梯阻抗谐振器，其尺寸均与实施例1所给参数相同。

构成辐射单元的引向器，其尺寸与实施例1相同。

实施例3，工作在1.68GHz的基于滤波巴伦的多层结构集成滤波天线。

参照图1，本实例的结构与实施例1的结构相同，其参数设置如下：

介电常数ε_r＝7.5，蝶形印刷偶极子垂直长度为28mm，短边长5.4mm，长边长10.4mm。辐射单元的两条λ/4微带线31和32尺寸相同，其宽度与实施例1所给的宽度参数相同，长度均为λ_g/4，式中λ为工作波长。

构成滤波部分的输入端口微带线，两条输出端口微带线及滤波巴伦的两个面对面的C形λ/2二阶阶梯阻抗谐振器和两个背靠背的C形λ/2二阶阶梯阻抗谐振器，其尺寸均与实施例1所给参数相同。

构成辐射单元的引向器，其尺寸与实施例1相同。

本发明效果可通过以下仿真进一步说明：

仿真1，对本发明实施例1天线的反射特性进行仿真，结果如图5，其中1端口反射系数曲线代表输入端口的反射特性曲线。

由图6可知，在2.344GHz～2.845GHz频率范围内，本发明的反射特性曲线小于-15dB，说明输入端口反射的能量很少，频率边缘选择性高，带外抑制良好。

仿真2，对实施例1天线的XOY面和YOZ面的辐射方向图进行仿真，结果如图6，其中实线为XOY面方向图，虚线为YOZ面方向图。

由图7可知，在2.45GHz时，本发明在较宽的频带内可以保持良好的方向性，即朝Y轴方向辐射，是典型的端射天线。

仿真3，对实施例1天线的增益进行仿真，结果如图7，其中曲线为增益曲线。

由图8可知，在2.344GHz～2.845GHz频率范围内，频率边缘选择性高，滤波效果明显，并在较宽的频段内增益大于4dB，具有较高的增益，且增益变化平缓。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于滤波巴伦的多层结构集成滤波天线，包括滤波部分(1)、基板部分(2)和辐射单元(3)其特征在于：

所述基板部分(2)包括两层微带介质基板(21，22)和最下层的金属地板(23)；

所述滤波部分(1)包括输入端口微带线(11)，两个输出端口微带线(12，13)和刻蚀在上层介质基板(21)上下表面左侧的滤波巴伦(14)；

所述辐射单元(3)采用刻蚀在上层介质基板(21)上表面右半部分的准八木天线，该准八木天线包括：两条微带线(31，32)、两个蝶形印刷偶极子(33，34)和一个引向器(35)；第一微带线(31)的右端与第一蝶形印刷偶极子(33)相连，第一微带线(31)的左端与滤波巴伦输出端口微带线(12)相连；第二微带线(32)的右端与第二蝶形印刷偶极子(34)相连，第二微带线(32)的左端与滤波巴伦输出端口微带线(13)相连；引向器(35)位于两个蝶形印刷偶极子(33，34)的右侧并与其水平平行；

所述滤波巴伦(14)，包括两个面对面的C形二阶阶梯阻抗谐振器(141，142)和两个背靠背的C形二阶阶梯阻抗谐振器(143，144)。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，两个面对面的C形二阶阶梯阻抗谐振器(141，142)刻蚀在上层介质基板(21)上表面，两个背靠背的C形二阶阶梯阻抗谐振器(143，144)刻蚀在下层介质基板(22)上表面；两个背靠背C形二阶阶梯阻抗谐振器(143,144)分别位于两个面对面C形二阶阶梯阻抗谐振器(141，142)的下方，并与两个面对面C形二阶阶梯阻抗谐振器(141，142)上下平行。

3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，第一C形二阶阶梯阻抗谐振器(141)的上端与输入端口微带线(11)的下端相连；第二C形二阶阶梯阻抗谐振器(142)平行置于第一C形二阶阶梯阻抗谐振器(141)的右侧；第二C形二阶阶梯阻抗谐振器(142)上端与输出端口微带线(12)的左端相连接，下端与输出端口微带线(13)的左端相连接。

4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述的两层微带介质基板(21，22)均为介电常数为的高介电常数介质材料。

5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，最下层的金属地板(23)为覆铜金属接地板。

6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述的两个蝶形印刷偶极子(33，34)结构相同，每个蝶形印刷偶极子垂直长度为，短边长，长边长。

7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，两个类S形输出端口微带线(12，13)沿中心水平轴线对称放置，每个微带线包含3个外角和3个内角共6个拐角，所有外拐角采用45度的切角处理。

8.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，两条微带线(31，32)尺寸相同，长度均为，其中，为工作波长。