一种宽带高增益微带滤波阵列天线

1.本发明属于天线设计领域，涉及滤波阵列天线，具体提供一种宽带高增益微带滤波阵列天线。


背景技术：

2.近些年来，随着人们对移动通信设备需求的增长，移动通信技术和无线通信技术得以快速进步，滤波天线作为一种新型器件受到了广泛的关注。滤波天线的核心优点是进行了一体化的设计，滤波器和天线的一体化设计可以减少级联设计带来的设计周期长、系统稳定性不佳、整体损耗增加等问题，是一种现状通信系统中越来越普遍的设计思路。同时，通信系统中小型化、集成化的趋势越来越明显，需求越来越大，滤波天线的设计思路也正好契合了这两点要求。
3.目前，单滤波天线器件种类繁多，为了扩充滤波天线的应用场景，某些单天线结构被优化设计为滤波阵列天线，用于更高增益需求的应用场景。现有滤波阵列天线大多属于微带类型，微带形式天线具有剖面低、损耗小和加工简单等优点；但是，采用微带结构设计天线不可避免地具有窄带特性，导致微带滤波阵列天线多具有窄带特点。为了提高微带滤波阵列天线的带宽，有学者提出通过增加滤波电路谐振点方法扩展阵列带宽；然而，额外添加的滤波电路引入的插损又不可避免地降低阵列的增益；因此，设计宽带高增益的微带滤波阵列天线对于仍是一个巨大挑战。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种宽带高增益微带滤波阵列天线，为宽带高增益滤波阵列天线地优化设计和性能改进提供有益的参考方法，使其能够更广泛地被应用到更多的场景中。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
6.一种宽带高增益微带滤波阵列天线，从上至下依次包括：金属贴片层1、第一介质基板2、金属条带3、第二介质基板4、金属地板层5、第三介质基板6、微带馈线9，以及激励金属探针7与短路金属探针8；其特征在于：
7.所述金属贴片层1设置于第一介质基板2的上表面、且沿其两条中线均呈对称结构，金属贴片层由两个矩形贴片构成，两个矩形贴片的长边正对排布、且长边沿y方向设置；所述矩形贴片的外侧长边上开设4个矩形缝隙，且矩形缝隙沿x方向设置；所述矩形贴片的内侧长边上开设2个u形缝隙、同时加载2个l形枝节，所述l形枝节中短枝节垂直加载于矩形贴片上、长枝节沿y方向指向第一介质基板边缘，所述u形缝隙沿x方向设置、且开口端位于矩形贴片的边缘；所述矩形贴片的宽边边缘设置多个短路金属探针8，短路金属探针内嵌于第一介质基板、第二介质基板及第三介质基板中，其顶端连接矩形贴片、底端与第三介质基板下表面齐平；
8.所述金属条带3设置于第一介质基板的下表面、第二介质基板的上表面，且位于中
心位置，金属条带沿x方向设置，金属条带通过激励金属探针7分别连接两个矩形贴片，激励金属探针内嵌于第一介质基板中；
9.所述金属地板层5设置于第二介质基板的下表面、第三介质基板的上表面，金属地板层的中心位置开设i形缝隙，i形缝隙沿y方向设置、且中心与金属条带的中心沿z方向重合；
10.所述微带馈线9设置于第三介质基板的下表面、且沿x方向设置，所述微带馈线9、金属地板层5、金属条带3与激励金属探针7共同构成微带缝隙耦合馈电转探针的激励结构。
11.进一步的，所述矩形缝隙位于金属贴片层1的非激励边沿(外侧长边)、且沿着x方向开设；具体的，矩形缝隙应处于主模的弱电流位置，矩形缝隙的长度应根据实际的匹配效果进行调整，最长不应超过矩形贴片宽度的一半。
12.进一步的，所述l型枝节的加载点位于金属贴片层的激励边沿(内侧长边)，且靠近金属贴片层宽边边沿的位置；具体的，l型枝节应处于高次模式1的电流零点位置。
13.进一步的，所述u型缝隙位于金属贴片层1的激励边沿(内侧长边)，且靠近激励金属探针7的位置；具体的，u型缝隙与激励探针之间垂直距离(y方向的距离)和u型缝隙的长度之和应为0.15λ0～0.25λ0，λ0是中心频率对应的自由空间波长。
14.本发明的工作原理在于：
15.传统标准矩形贴片结构的主模具有侧向辐射特性，与主模相近的模式均为非侧向辐射模式，因此难以通过激励多模方式实现宽带侧向辐射特性；本发明通过在传统标准矩形贴片窄边引入短路金属探针，使矩形贴片产生另外一个具有侧向辐射特性的高次模式1，进而通过激励两个贴片模式(主模和高次模式1)实现宽带特性；高次模式1的谐振频率低于主模谐振频率，且高次模式1是一个自身具有低频边带激励零点的模式，因此天线在低频边带可呈现好的低频选择性；为了改善高频边带选择性，本发明通过在馈电位置左右两侧加载u形缝隙，使主模在高频也产生了一个边带激励零点，该激励零点优化了天线的高频选择性。需要说明的是，模式自身存在边带激励零点是指：在某频率处模式在激励位置的场很弱，导致其无法被所设计的激励结构成功激励，进而导致模式存在激励零点，该激励零点对应增益曲线上的辐射零点。在此基础上，为了进一步扩展单元带宽，本发明通过加载矩形缝隙和l形枝节方式延长高次模式1的电流路径，使其谐振频率降低，而主模的谐振频率保持不变，进而扩展带宽。注意：所加载的矩形缝隙应处于主模的弱电流位置，l形枝节也应避免影响主模。
16.以上过程使得矩形贴片单元呈现优异的滤波特性和宽带辐射特性，将此单元进行合理地布局形成阵列拓扑，并施加合适的馈电激励结构，将能够实现具有宽带高增益特性的滤波阵列天线；本发明通过将两个所设计的矩形贴片结构镜像对称地放置，使阵列口径获得了充分地利用，进而在有限尺寸下实现高增益特性；此外，本发明通过采用一个微带缝隙耦合馈电转探针的激励结构取代原本的双探针激励结构为所设计的1
×
2阵列馈电，该激励结构将原本需要的双端口馈电改为单端口馈电，使其更适合用于大阵列设计中；更重要的是，所设计的微带缝隙耦合馈电转探针的激励结构存在固有滤波特性和谐振特性，进一步改善了阵列的带宽和滤波特性。
17.综上，本发明的有益效果为：
18.本发明提供一种宽带高增益微带滤波阵列天线，通过加载短路金属探针、开设u形
缝隙和矩形缝隙、加载l形枝节方式优化矩形贴片单元结构的滤波特性和辐射特性，并基于此单元结构设计阵列结构。通过采用具有固有滤波特性和谐振特性的微带缝隙耦合馈电转探针地激励结构、镜像对称形式的1
×
2阵列拓扑结构，使阵列的滤波和辐射特性被进一步优化；最终所设计的微带滤波阵列天线具备宽带高增益优点，并且，天线结构简单、加工方便，可以用来组成更大的阵列获得更高的增益。
附图说明
19.图1为本发明宽带高增益微带滤波阵列天线的侧视结构示意图。
20.图2为本发明宽带高增益微带滤波阵列天线中金属贴片层的结构示意图。
21.图3为本发明宽带高增益微带滤波阵列天线中金属条带的结构示意图。
22.图4为本发明宽带高增益微带滤波阵列天线中金属地板层的结构示意图。
23.图5为标准矩形贴片单元结构示意图。
24.图6为标准矩形贴片单元结构的反射系数和增益图。
25.图7为标准矩形贴片单元结构的主模电流分布图。
26.图8为标准矩形贴片变形结构1的结构示意图。
27.图9为标准矩形贴片变形结构1的反射系数和增益图。
28.图10为标准矩形贴片变形结构1的电流分布图，其中，(a)为高次模式1(低频谐振)，(b)为主模(高频谐振)。
29.图11为标准矩形贴片变形结构2的结构示意图。
30.图12为标准矩形贴片变形结构2的反射系数和增益图。
31.图13为标准矩形贴片变形结构2的电流分布图，其中，(a)为高次模式1(低频谐振)，(b)为主模(高频谐振)。
32.图14为本发明宽带高增益微带滤波阵列天线的单元结构示意图。
33.图15为本发明宽带高增益微带滤波阵列天线的单元结构的反射系数和增益图。
34.图16为本发明宽带高增益微带滤波阵列天线的单元结构的电流分布图，其中，(a)为高次模式1(低频谐振)，(b)为主模(高频谐振)。
35.图17为本发明双探针激励的1
×
2阵列结构示意图.
36.图18为本发明双探针激励的1
×
2阵列天线的反射系数和增益图。
37.图19为本发明天线的微带缝隙耦合馈电转探针的激励结构示意图；
38.图20为本发明宽带高增益微带滤波阵列天线的微带馈线结构在5ghz和9.7ghz处的电流分布图，其中，(a)为5ghz，(b)为9.7ghz。
39.图21为本发明宽带高增益微带滤波阵列天线的反射系数和增益图。
40.图22为本发明宽带高增益微带滤波阵列天线的辐射效率图。
41.图23为本发明宽带高增益微带滤波阵列天线工作在5.8ghz、6.5ghz和7.3ghz时的辐射方向图，其中，(a)为5.8ghz，(b)为6.5ghz，(c)为7.3ghz。
具体实施方式
42.为使本发明的目的、技术方案及技术效果更加完整清晰，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
43.本实施例提供一种宽带高增益微带滤波阵列天线，其结构如图1所示，从上至下依次包括：金属贴片层1、第一介质基板2、金属条带3、第二介质基板4、金属地板层5、第三介质基板6、微带馈线9；第一介质基板内嵌有激励金属探针7和短路金属探针8，第二介质基板和第三介质基板内都嵌有短路金属探针8；金属贴片层1印制在第一介质基板2的上表面，金属条带3印制在第一介质基板2的下表面，金属地板层5印制在第三介质基板6的上表面，微带馈线9印制在第三介质基板6的下表面；激励金属探针7穿过第一介质基板2，顶端接金属贴片层1、底端接金属条带3；短路金属探针8穿过第一介质基板2、第二介质基板4、金属地板层5以及第三介质基板6，顶端接金属贴片层1、底端与第三介质基板下表面齐平。
44.在本实施例中，第一介质基板2、第二介质基板4和第三介质基板6都采用rogers rt/duroid 5880板材，三块介质基板的长度均为l＝50mm、宽度均为w＝45mm，其中，第一介质基板2的厚度t1＝2mm，第二介质基板4和第三介质基板6的厚度均为t2＝0.5mm，三块介质基板的总厚度不超过5mm，符合低剖面要求；需要说明的是：厚度参数可根据具体实用要求进行适应性调节。
45.如图2所示，所述金属贴片层1由结构尺寸完全一致的两个矩形贴片构成，矩形贴片的长边沿着y方向设置，且金属贴片层1关于第一介质基板的中线(x轴与y轴)呈对称结构；两个矩形贴片之间的距离为d＝4mm，矩形贴片长度为l1＝48.5mm、宽度为w1＝12.5mm；矩形贴片外侧的长边加载有4个矩形缝隙，矩形缝隙的长度均为lf＝3mm，宽度均为wf＝2mm，靠近x轴的矩形缝隙距离x轴距离为d
f1
＝7.5mm，远离x轴的矩形缝隙距离x轴距离为wf+d
f1
+d
f2
＝13.5mm；矩形贴片内侧的长边加载有两个u形缝隙，u形缝隙距离x轴距离为du＝2mm，u形缝隙外维长度为lu＝6mm，宽度为wu＝2.5mm；矩形贴片内侧的长边加载有两个l形枝节，l形枝节距离x轴距离为d
l
＝17mm，l形枝节的长度为l
l1
+l
l2
＝1mm+6mm＝7mm、宽度为w
l
＝0.5mm。
46.如图3所示，金属条带3印制在第一介质基板2的下表面中心位置，金属条带3的长边沿着x方向设置；金属条带3的长度为l
t
＝15mm，宽度为w
t
＝2mm。
47.如图4所示，金属地板层5印制在第三介质基板6的上表面，其上设置有一个i形缝隙，i形缝隙处于金属地板层5的中心位置、且沿y方向设置，缝隙的中心与金属条带3的中心重合；微带馈线9印制在第三介质基板6的下表面，微带馈线9、金属地板层5、金属条带3和激励金属探针7共同构成本发明天线的微带缝隙耦合馈电转探针的激励结构。
48.为了进一步说明上述宽带高增益微带滤波阵列天线的工作原理，本发明还提供了单元结构的演变过程和阵列馈电结构的演变过程，下面结合图5～图23进行详细说明：
49.如图5所示，标准矩形贴片结构被选作为初始单元结构，一个同轴探针被用来激励该贴片结构，激励位置在其长边中心，偏离窄边中心位置，此激励方式可以激励起x方向极化的模式场。从如图6所示的反射系数曲线上看，标准矩形贴片结构没有任何滤波特性。标准矩形贴片结构只有主模具有侧向辐射特性，主模的电流分布情况如图7所示。为了扩展带宽，需要引入新的侧向辐射模式，本发明通过在传统矩形贴片结构的窄边引入短路金属探针，设计了标准矩形贴片的变形结构1，如图8所示。由于短路金属探针改变了矩形贴片结构的边界条件，使得该结构存在两个侧向模式：高次模式1和主模；从如图9所示的增益和反射曲线上看，该变形结构1在低频具有辐射零点，呈现滤波特性，这是因为低频谐振的高次模式1在6.5ghz存在激励零点，即在6.5ghz处高次模式1无法被激励起来，同时也没有其它模式在6.5ghz产生好的辐射，因此该变形结构1在6.5ghz处呈现辐射零点特性，在6.5ghz以下
频段呈现滤波特性，高次模式1和主模的电流分布如图10所示。为了进一步优化结构的高频滤波特性，如图11所示的变形结构2被设计出来，通过在激励位置旁边开设两个u形缝隙，使得主模在高频8.2ghz处产生激励零点，同时也没有其它模式在8.2ghz附近辐射，因此变形结构2获得了不错的高频滤波特性，其增益和反射曲线如图12所示，高次模式1和主模的电流分布如图13所示。
50.至此为止，变形结构2已经具有不错的高低频滤波效果，但是其带宽目前仅有7％，为了进一步扩展单元结构带宽，为设计宽带阵列结构做准备，变形结构2被进一步优化成如图14所示结构，该结构是本发明阵列天线最终采用的单元结构，其增益和反射曲线如图15所示，高次模式1和主模的电流分布如图16所示。通过加载矩形缝隙和l形枝节延长高次模式1的电流路径，使得高次模式1的谐振频率降低，而主模的谐振频率保持不变，进而实现带宽扩展的目的。具体的，通过在非激励边(激励探针远离的矩形贴片长边称为非激励边)加载四条矩形缝隙，使高次模式1的电流路径被延长，进而降低高次模式1的谐振频率。如图13中黑色方框框住的部分就是矩形缝隙加载的位置，在此位置处主模电流弱，因此主模的谐振频率不会受到影响。由于加载的缝隙会影响单元匹配性能，因此其延长高次模式1电流路径的能力有限，所以本发明还加载了两条l形枝在激励边(激励探针靠近的矩形贴片长边称为激励边)上，用于进一步延长高次模式1的电流路径。如图16所示的高次模式1和主模的电流分布，显然，无论是矩形缝隙还是l形枝节都延长了高次模式1的电流路径，而几乎不影响主模的电流路径；随着高次模式1的谐振频率被降低，主模谐振频率保持不变，单元的工作带宽从7％被扩展到了14％。需要说明的是，加载的矩形缝隙和l形枝节对于单元的滤波特性几乎没有影响，因此，如图14所示的单元结构具有宽带滤波特性。
51.以上述单元结构为基础设计1
×
2阵列结构，研究发现通过直接将两个单元镜像对称地放置，可以实现最优的口径利用率，同时为这两个单元施加差分激励信号即可激励起侧向辐射模式(高次模式1和主模)，如图17所示；如图18所示为双探针差分激励时阵列的反射系数和增益曲线，可以看出和单元特性类似，阵列的低频滤波效果优异，但是高频滤波效果有待改善，这是因为所采用的双探针激励对于改善滤波特性没有任何价值，只起到激励作用。为了优化阵列的滤波特性，本发明设计一种微带缝隙耦合馈电转探针的激励结构，如图19所示；该激励结构将原本需要的双端口激励改为单端口激励，相比双探针激励结构，微带缝隙耦合馈电转探针激励结构更适合用于设计大阵列馈电结构，因为其端口数量少；其次，微带缝隙耦合馈电转探针激励结构具有固有滤波特性和谐振特性，不仅扩展了通带带宽还优化了阵列的带外滤波效果。具体的，微带馈线引入了一个微带馈线模式，该模式和原本的高次模式1和主模共同构成阵列的通带模式，由于有三个模式谐振，因此阵列的带宽被进一步扩展。此外，微带缝隙耦合馈电结构本身存在两个传输零点，即在5ghz和9.7ghz下能量无法从微带馈线往上传给阵列结构，因为在地板i形缝隙位置处微带馈线的磁场最弱，无法向上耦合，如图20所示。
52.如图21、22所示为本实施例中阵列天线的增益、反射系数和辐射效率，本实施例中阵列天线在5.69～7.42ghz频带内的反射系数都小于-10db，-10db阻抗带宽可以达到26.4％；本实施例天线在工作频带内的增益最高可达12dbi，带外抑制滤大于20db；带内平均辐射效率高达96％，带外最大辐射效率不超过20％；如图23所示为本实施例中阵列天线在5.8ghz、6.5ghz和7.3ghz的辐射方向图，可以看到天线具有稳定的辐射方向图，说明天线
辐射稳定。
53.综上所述，相比现有微带滤波阵列天线，本发明中微带滤波阵列天线具有宽带和高增益优势。
54.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

技术特征：
1.一种宽带高增益微带滤波阵列天线，从上至下依次包括：金属贴片层(1)、第一介质基板(2)、金属条带(3)、第二介质基板(4)、金属地板层(5)、第三介质基板(6)、微带馈线(9)，以及激励金属探针(7)与短路金属探针(8)；其特征在于：所述金属贴片层(1)设置于第一介质基板(2)的上表面、且沿其两条中线均呈对称结构，金属贴片层由两个矩形贴片构成，两个矩形贴片的长边正对排布、且长边沿y方向设置；所述矩形贴片的外侧长边上开设4个矩形缝隙，且矩形缝隙沿x方向设置；所述矩形贴片的内侧长边上开设2个u形缝隙、同时加载2个l形枝节，所述l形枝节中短枝节垂直加载于矩形贴片上、长枝节沿y方向指向第一介质基板边缘，所述u形缝隙沿x方向设置、且开口端位于矩形贴片的边缘；所述矩形贴片的宽边边缘设置多个短路金属探针(8)，短路金属探针内嵌于第一介质基板、第二介质基板及第三介质基板中，其顶端连接矩形贴片、底端与第三介质基板下表面齐平；所述金属条带(3)设置于第一介质基板的下表面、第二介质基板的上表面，且位于中心位置，金属条带沿x方向设置，金属条带通过激励金属探针(7)分别连接两个矩形贴片，激励金属探针内嵌于第一介质基板中；所述金属地板层(5)设置于第二介质基板的下表面、第三介质基板的上表面，金属地板层的中心位置开设i形缝隙，i形缝隙沿y方向设置、且中心与金属条带的中心沿z方向重合；所述微带馈线(9)设置于第三介质基板的下表面、且沿x方向设置，所述微带馈线(9)、金属地板层(5)、金属条带(3)与激励金属探针(7)共同构成微带缝隙耦合馈电转探针的激励结构。2.按权利要求1所述宽带高增益微带滤波阵列天线，其特征在于，所述矩形缝隙位于主模的弱电流位置，且长度不超过矩形贴片宽度的一半。3.按权利要求1所述宽带高增益微带滤波阵列天线，其特征在于，所述l型枝节的加载点位于高次模式1的电流零点位置。4.按权利要求1所述宽带高增益微带滤波阵列天线，其特征在于，所述u型缝隙与激励金属探针的垂直距离和u型缝隙的长度之和为0.15λ0～0.25λ0，λ0为中心频率对应的自由空间波长。

技术总结
本发明属于天线设计领域，涉及滤波阵列天线，具体提供一种宽带高增益微带滤波阵列天线，为宽带高增益滤波阵列天线地优化设计和性能改进提供有益的参考方法，使其能够更广泛地被应用到更多的场景中。本发明通过加载短路金属探针、开设U形缝隙和矩形缝隙、加载L形枝节方式优化矩形贴片单元结构的滤波特性和辐射特性，并基于此单元结构设计阵列结构。通过采用具有固有滤波特性和谐振特性的微带缝隙耦合馈电转探针地激励结构、镜像对称形式的1


技术研发人员：刘思豪 杨德强 郭俊雷 王博宁 邵玉婷 陈涌频
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.04.26
技术公布日：2023/8/9