一种天线的滤波馈电结构及滤波贴片天线

1.本实用新型属于通信设备技术改进领域，尤其涉及一种带有交叉极化抑制的滤波贴片天线。


背景技术：

2.所有无线通信设备的硬件部分都有一个射频前端，天线作为射频前端的第一个或最后一个功能模块对设备的通信能力起着重要作用。同时，滤波器作为紧紧衔接天线的模块，有着抑制带外信号或噪声的作用，同样对通信质量有着极大的影响。虽然从功能上来说，两者应该是互相独立的，但是近年来发展出了滤波器与天线融合设计的方法，即滤波天线，其设计理念如图一所示。将两者进行融合设计的优点在于：1、能够避免传输线或匹配网络带来的额外损耗。2、能够节省系统的体积，有利于小型化设计。
3.目前较为流行的滤波天线实现的方法（方法一）是将天线作为一个带通滤波器网络末级的谐振器负载，这样只要合理设计前置的带通滤波网络就能获得一个较好的整体带通滤波效果。这种设计方法的基本思路是将天线等效成一个rlc网络，然后通过仿真拟合得出该网络具体的参数，再在该模型的基础上按照一般步骤设计出一个带通滤波器，最后在仿真软件中对其进行建模、仿真验证。
4.另一种实现方法（方法二）是直接对天线结构进行修改，而不添加额外的带通滤波网络。通过对天线的结构进行修改有可能使得天线在某些频率产生两种能够相互抵消的辐射模式，在该频率点上天线的辐射效率很低，因此该点也被称为辐射零点。只要合理调整辐射零点的频率使得它靠近通带，便可以达到一个带通滤波响应的效果。该方法步骤主要是先找到引入零点的方法，然后再调整零点的位置，直到获得一个理想的滤波效果为止。
5.方法一的主要缺点是体积较大，因为从体积上讲，其设计结果相当于是一个带通滤波器 + 天线，比起传统的级联结构来说，虽然它能够避免由传输线匹配网络带来的损耗，但是其体积依然较大，也就是说该方法只达到了滤波天线中减小损耗的目的，没有达到减小体积的设计目标。
6.方法二的主要缺点是难以保证全方向的滤波一致性，因为天线的辐射方向是有许多角度的，在引入辐射零点时，需要考察的是整个方向图上每个角度的天线增益是否都具有带通滤波效果。但是要找到两种在全方向上相互抵消的辐射模式是较困难的，一般的实现方法都不能保证全方向的滤波性能。


技术实现要素：

7.本实用新型的目的在于提供一种天线的滤波馈电结构，旨在解决上述的技术问题。
8.本实用新型是这样实现的，一种天线的滤波馈电结构，所所述滤波馈电结构包括第一线路层、介质层及第二线路层，所述第一线路层通过所述介质层连接所述第二线路层。
9.本实用新型的进一步技术方案是：所述第一线路层与所述第二线路层上分别设有
一个c形微带线。
10.本实用新型的进一步技术方案是：所述微带线包括第一微带线、第二微带线、第三微带线、第一过孔、第二过孔及金属探针，所述第二微带线的一端通过所述第一过孔连接所述第一微带线的一端，所述第二微带线的另一端通过第二过孔连接所述第三微带线的一端，所述金属探针的一端连接所述第二微带线。
11.本实用新型的进一步技术方案是：所述第一过孔和所述第二过孔位于所述第二微带线的同一侧，所述第一过孔与所述金属探针位于所述第二微带线的不同侧，所述第一微带线的另一端与所述第三微带线的另一端相对。
12.本实用新型的进一步技术方案是：所述滤波馈电结构利用调整介质层的厚度是的能量在通带频率上能够有效入到上层，随着频率的降低耦合到上层的能量越来越少。
13.本实用新型的进一步技术方案是：在该滤波贴片天线中高频能量通过引入传输零点进行抑制，源馈点在线路层上分层两路tem波，当两路tem波到达天线馈电点的波程差达到某个频率的半波长时，两路tem波相互抵消能量在改点无法有效馈入到天线形成传输零点。
14.本实用新型的有益效果是：基于天线的馈电结构进行设计，不会引入额外的滤波网络，因此滤波天线的体积不会大幅增加，甚至能保持整体体积不变。滤波特性是从馈电结构引入的，从根本上抑制了能量的辐射，不需要考虑在全方向上能量是否都能抵消的问题。能够在不增加天线的体积的情况下实现滤波功能，同时保证滤波的全方向一致性，滤波天线同时还有抑制贴片天线交叉极化的作用，对提高天线的工作性能有着重要意义。
附图说明
15.图1是滤波天线融合设计的结构示意图。
16.图2是本实用新型实施例提供的带有交叉极化抑制的滤波贴片天线的示意图。
17.图3是本实用新型实施例提供的贴片天线结构的3d透视图。
18.图4是本实用新型实施例提供的贴片天线结构的结构侧视图。
19.图5是本实用新型实施例提供的贴片天线结构的滤波馈电结构剖分图。
20.图6是本实用新型实施例提供的滤波贴片天线辐射增益及反射系数的仿真结果示意图。
21.图7是本实用新型实施例提供的天线辐射效率与频率的关系的示意图。
22.图8是本实用新型实施例提供的贴片天线的交叉极化与传统的探针馈电方式贴片天线的交叉极化对比示意图。
具体实施方式
23.如图3所示，本实用新型提供的所述滤波馈电结构包括第一线路层、介质层及第二线路层，所述第一线路层通过所述介质层连接所述第二线路层。
24.所述第一线路层与所述第二线路层上分别设有一个c形微带线。
25.所述微带线包括第一微带线、第二微带线、第三微带线、第一过孔、第二过孔及金属探针，所述第二微带线的一端通过所述第一过孔连接所述第一微带线的一端，所述第二微带线的另一端通过第二过孔连接所述第三微带线的一端，所述金属探针的一端连接所述
第二微带线。
26.所述第一过孔和所述第二过孔位于所述第二微带线的同一侧，所述第一过孔与所述金属探针位于所述第二微带线的不同侧，所述第一微带线的另一端与所述第三微带线的另一端相对。
27.一种带有交叉极化抑制的滤波贴片天线，所述带有交叉极化抑制的滤波贴片天线包括贴片辐射器、滤波馈电结构及地板，所述滤波馈电结构的下表面穿过所述地板与同轴线进行连接，所述滤波馈电结构的上表面连接所述贴片辐射器的下表面，在滤波馈电结构依据两个c形微带线网络进行滤波和馈电。
28.对一个贴片天线的馈电结构进行直接的修改，使得其在具有带通滤波效果的同时对贴片天线进行馈电，即同时兼顾馈电和滤波功能。从系统体积上来说，该设计方案的整体体积相对于传统的贴片天线来说仅有少量增加甚至不增加，因为馈电结构是天线本身就存在的，对其进行修改并不会引入过多的器件和体积。另外，该馈电网络本身就具有带通滤波功能，也就是说，能量只有在该馈电网络的通带内才能有效地馈入到天线上进行辐射，而在通带外馈入到天线的能量幅度非常小。由于馈入到天线的能量本身较弱，因此天线辐射出去的能量也大幅度减小，这种能量减少是相对于全方向来说的，所以天线的全方向滤波响应都具有良好的一致性。
29.一种集成带通滤波馈电结构的贴片天线的结构图。该天线的核心结构是位于地板和辐射贴片中间的pcb（印制电路板）板，该pcb板的上的两个c形微带线网络同时具有滤波以及馈电功能，是一种新型的滤波馈电网络。由于只修改了馈电结构，该天线的体积与传统的探针馈电贴片天线一致，而没有增加。
30.为了实现滤波功能，馈电结构应该能够同时抑制低频和高频的能量馈入到天线。本文设计的天线使用的是耦合馈电方式，从图3-5给出的天线结构图中可以看到，线路层2和线路层3中间隔着一层介质层，而没有直接用过孔或微带线连接，因此只要介质层的厚度调整合理，便可以使得能量在通带频率以上能够有效馈入到上层，而随着频率的降低，耦合到上层的能量会越来越少，从而形成阻带。对于高频能量的抑制，可以通过引入传输零点的方式来解决，源馈点在线路层4上分成两路tem（横电磁）波，当两路tem波到达天线馈电点的波程差达到某个频率的半波长时，由于两个波的相位差为180
°
，因此它们将会相互抵消，能量在该点无法有效馈入到天线，从而形成传输零点。另外，由于馈电结构存在着两对波相位相反的过孔，因此相较于传统的探针馈电贴片天线而言，其等效馈电探针的长度更短，有利于交叉极化的抑制。
31.所述滤波馈电结构利用调整介质层的厚度是的能量在通带频率上能够有效入到上层，随着频率的降低耦合到上层的能量越来越少。
32.在该滤波贴片天线中高频能量通过引入传输零点进行抑制，源馈点在线路层上分层两路tem波，当两路tem波到达天线馈电点的波程差达到某个频率的半波长时，两路tem波相互抵消能量在改点无法有效馈入到天线形成传输零点。
33.图6给出了滤波贴片天线辐射增益(broadside方向，即φ = 0
°
，θ = 0)以及反射系数的仿真结果。从仿真结果可以看到，该滤波天线有着明显的带通滤波特性，且反射系数的通带与辐射增益通带基本吻合，重叠部分为2.3-2.6 ghz，符合ism频段中的2.4 ghz工作要求，具有较大的实际应用价值。
34.为了说明本实用新型的滤波贴片天线具有良好的全方向滤波一致性，图7给出了天线辐射效率与频率的关系示意图，从中可以看到天线的辐射效率也具有明显的带通特性，说明全部辐射方向的能量都是具有带通特性的。
35.最后，图8给出了该贴片天线的交叉极化与传统的探针馈电方式贴片天线的交叉极化对比，从图中可以看出，使用了本实用新型的滤波馈电网络之后，贴片天线的交叉极化改善了约6db，改善效果非常明显。
36.相对于现有技术中方法一来说，基于天线的馈电结构进行设计，不会引入额外的滤波网络，因此滤波天线的体积不会大幅增加，甚至能保持整体体积不变。
37.相对于现有技术中方法二来说，由于滤波特性是从馈电结构引入的，从根本上抑制了能量的辐射，因此不必考虑在全方向上能量是否都能抵消的问题
38.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：
1.一种天线的滤波馈电结构，其特征在于，所述滤波馈电结构包括第一线路层、介质层及第二线路层，所述第一线路层通过所述介质层连接所述第二线路层：所述第一线路层与所述第二线路层上分别设有一个c形微带线。2.根据权利要求1所述的天线的滤波馈电结构，其特征在于，所述微带线包括第一微带线、第二微带线、第三微带线、第一过孔、第二过孔及金属探针，所述第二微带线的一端通过所述第一过孔连接所述第一微带线的一端，所述第二微带线的另一端通过第二过孔连接所述第三微带线的一端，所述金属探针的一端连接所述第二微带线。3.根据权利要求2所述的天线的滤波馈电结构，其特征在于，所述第一过孔和所述第二过孔位于所述第二微带线的同一侧，所述第一过孔与所述金属探针位于所述第二微带线的不同侧，所述第一微带线的另一端与所述第三微带线的另一端相对。4.一种滤波贴片天线，其特征在于，所述滤波贴片天线包括权利要求1-3任一项所述的天线的滤波馈电结构。

技术总结
本实用新型适用于通信设备技术改进领域，提供了一种天线的滤波馈电结构，所述滤波馈电结构包括第一线路层、介质层及第二线路层，所述第一线路层通过所述介质层连接所述第二线路层。能够在不增加天线的体积的情况下实现滤波功能，同时保证滤波的全方向一致性，滤波天线同时还有抑制贴片天线交叉极化的作用，对提高天线的工作性能有着重要意义。高天线的工作性能有着重要意义。高天线的工作性能有着重要意义。


技术研发人员：王凯旭 杜智滔
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（深圳）
技术研发日：2022.08.30
技术公布日：2023/7/14