一种平面宽带滤波天线的制作方法

本发明属于无线通信天线技术领域，特别是一种结构简单，带宽较宽，增益较高，实现滤波以及定向辐射的平面宽带滤波天线。

背景技术：

无线通信的射频前端分别设有天线和滤波器，天线和滤波器通过匹配网络连接。为了满足现代通信终端小型化需求，需将天线与滤波器进行集成，构成同时具有辐射和滤波功能的单一器件，即滤波天线(filtering antenna，filtenna)。

当前，滤波天线的主要设计思路可归纳为两种：一种是在天线中级联滤波结构，使天线具有滤波特性。另—种是将滤波器和天线进行综合设计，从经典带通滤波器的综合理论出发，将天线等效成串联或并联的RLC电路，在起辐射作用的同时，也充当滤波器最后一级谐振器和负载。

但是，上述方法均不可避免的增大了天线的几何尺寸，使得天线的复杂程度增加，不便于加工和使用；同时也很容易增大损耗，造成天线的增益不高或者不稳定，并且带宽较窄，应用有限。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种平面宽带滤波天线，结构简单，带宽较宽，增益较高，能同时实现滤波以及定向辐射。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种平面宽带滤波天线，包括下表面贴有金属接地板的矩形介质基板，在所述介质基板的上表面设有金属贴片和馈电口，所述馈电口置于介质基板的一个窄边上，金属贴片置于介质基板内，金属贴片与馈电口相连，所述金属贴片通过金属化通孔与金属接地板相连。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1、结构简单：通过金属通孔连接上层振子与下层反射器，摆脱了双层设计，无需单独设计巴伦，减小了天线尺寸与设计复杂度，更有实用价值。通过在50欧姆微带传输线上加载紧致微带谐振单元以实现滤波，简单有效，结构紧凑，实现了小型化。

2、带宽较宽：本发明放弃传统巴伦，采用金属通孔馈电与微带线直接馈电，以实现差分馈电，解决了传统天线频带窄的问题，

3、增益较高，实现滤波以及定向辐射：采用八木天线作为辐射单元，具有增益较高，单向辐射的特点。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明平面宽带滤波天线一实施例的结构示意图。

图2为本发明平面宽带滤波天线另一实施例的结构示意图。

图3为图2中紧致微带谐振单元的结构示意图。

图4为图2所示平面宽带滤波天线的几何尺寸示例图。

图5为图3中紧致微带谐振单元的几何尺寸示例图。

图6为图1所示平面宽带滤波天线的HFSS仿真S11图。

图7为图2所示平面宽带滤波天线的HFSS仿真S11图。

图8为图2所示平面宽带滤波天线在7.5GHz的仿真辐射增益图。

图9为图2所示平面宽带滤波天线在3.2GHz频率下的电流分配图。

图10为图2所示平面宽带滤波天线在7.5GHz频率下的电流分配图。

图中，介质基板1，金属接地板2，金属贴片3，馈电口4，金属化通孔5，

第一微带传输线31，第二微带传输线32，第三微带传输线33，第一振子臂34，第二振子臂35，第一引向器36，第二引向器37，

紧致微带谐振单元6，第一横向窄带线61，第二横向窄带线62，第三横向窄带线63，纵向窄带线64，微带直角三角形65，66，67，68，

反射器21，馈电微带线22。

具体实施方式

如图1所示，本发明平面宽带滤波天线，包括下表面贴有金属接地板2的矩形介质基板1，在所述介质基板1的上表面设有金属贴片3和馈电口4，所述馈电口4置于介质基板1的一个窄边上，金属贴片3置于介质基板1内，金属贴片3与馈电口4相连，所述金属贴片3通过金属化通孔5与金属接地板2相连。

如图1所示，所述金属贴片3包括第一微带传输线31、第二微带传输线32、第三微带传输线33、第一振子臂34、第二振子臂35、第一引向器36和第二引向器37；

所述第二微带传输线32的宽度大于第一微带传输线31的宽度，小于第三微带传输线33的宽度，所述第二微带传输线32的一端与第一微带传输线31的一端相连，另一端与第三微带传输线33的宽度的一端相连，第一微带传输线31的另一端与馈电口4相连。

所述馈电口4、紧致微带谐振单元6、第一微带传输线31、第二微带传输线32、第三微带传输线33沿矩形介质基板1上表面的长轴线依次纵向排列。

所述第一振子臂34和第二振子臂35均呈L形，第一振子臂34与第二振子臂35沿矩形介质基板1上表面的长轴线对称布置，其一端分别置于介质基板1的两个宽边上，第二振子臂35的另一端金属化通孔5与金属接地板2相连，第一振子臂34的另一端与第三微带传输线33的另一端相连，第一振子臂34与第二振子臂35之间设有间隙。

所述第一引向器36置于介质基板1上与馈电口4相对的另一窄边，并与该窄边平行，第二引向器37与第一引向器36平行，置于第一引向器36与第一振子臂34之间，第一引向器36和第二引向器37的中点均位于矩形介质基板1上表面的长轴线上。

所述第一振子臂34和第二振子臂35均呈L形，采用了弯折形式，以实现小型化；

所述振子臂34、35采用了不同的馈电方式，振子臂34为微带传输线直接馈电，振子臂35利用金属化通孔进行馈电，与振子臂35形成180度相位差，从而实现了微带线到共面带状线的转换。

所述金属贴片3中的36、37为八木天线引向器，36、37的长度小于1/2中心频率介质波长，36、37对天线增益有较大影响。

所述的馈电输入端口4的阻抗为50欧姆，所述微带传输线31的特性阻抗为50欧姆。

所述金属贴片3中的36、37为八木天线引向器，36、37的长度小于1/2中心频率介质波长，36、37对天线增益有较大影响。

如图2、4所示，所述第一微带传输线31经蚀刻形成一紧致微带谐振单元6，所述紧致微带谐振单元6包括相互平行的第一横向窄带线61、第二横向窄带线62、第三横向窄带线63和与之垂直的纵向窄带线64及四个微带直角三角形65、66、67、68，所述第一横向窄带线61的中点与纵向窄带线64的一端相连，第三横向窄带线63的中点与纵向窄带线64的另一端相连，第二横向窄带线62的中点与纵向窄带线64的中点相连；

所述第一微带直角三角形65位于纵向窄带线64一侧的第一横向窄带线61、第二横向窄带线62之间，其一个直角边与纵向窄带线64平行且远离纵向窄带线64，其另一个直角边平行且靠近第一横向窄带线61，其远离第一横向窄带线61的顶端与第二横向窄带线62的外端相连，第一微带直角三角形65与第一横向窄带线61、纵向窄带线64之间均存在间隙；

所述第二微带直角三角形66与第一微带直角三角形65关于纵向窄带线64对称，第三微带直角三角形67与第一微带直角三角形65关于第二横向窄带线62对称，第四微带直角三角形68与第三微带直角三角形67关于纵向窄带线64对称。

所述紧致微带谐振单元CMRC6为上下左右对称结构，是对称二端口网络结构。

如图3所示，所述紧致微带谐振单元CMRC6为上下左右对称结构，是对称二端口网络结构。

如图3所示，所述紧致微带谐振单元6是一种通过微带光刻腐蚀技术，在标准50欧姆微带传输线31中形成的特定图形的特殊微带电路结构，由于在正常的50欧姆微带线31中蚀刻掉了一部分金属，形成的上下相连的细窄的微带线将增加其等效的串联电感。相反，蚀刻出的两条缝隙则增加了其等效并联电容，所以紧致微带谐振单元6可等效为RLC谐振电路，呈现带阻特性。通过调节单元的长度lc以及蚀刻图形中缝隙s1、s2、s3的尺寸大小,则可以在不同的频段得到慢波效应。

优选地，所述第一微带传输线31的特性阻抗为50欧姆。

如图1、2所示，所述金属接地板2位于矩形介质基板1的下表面，包括矩形反射器21与矩形馈电微带线22，矩形反射器21与矩形馈电微带线22沿矩形介质基板1下表面的长轴线依次纵向排列，且其中点均位于矩形介质基板1下表面的长轴线上；

矩形反射器21的一端与馈电口4所在的窄边相连，其长度为三段微带传输线31、32、33的总长度，宽度与介质基板1的宽度相同，而另一端与矩形馈电微带线22相连，矩形馈电微带线22的长度大于金属化通孔5的上边沿到矩形反射器21的距离，且小于振子臂34中平行于下表面长轴线的部分的长度，宽度略小于微带线33的宽度，馈电微带线22通过金属化通孔5与振子臂35相连。

所述金属化通孔5穿过介质基板1将金属贴片3中的35与金属接地板2中的22相连接。

本发明利用微带准八木天线上加载紧致微带谐振单元的方式来实现滤波，辐射单元采用微带准八木天线以获得定向辐射特性，利用特殊的馈电结构实现宽带特性，从而最终形成一个平面宽带滤波天线。

下面结合具体实例对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

一种平面宽带滤波天线结构如图2所示，有关尺寸规格如图4所示，所采用的介质板为介电常数4.4、厚度0.8mm的FR4板材。结合图2与图4，该平面宽带滤波天线的主要尺寸参数如下：W＝25mm，L＝39mm，w1＝1.5mm，d1＝4.5mm，w2＝2.6mm，d2＝5mm，w3＝4.5mm，d3＝4.5mm，w4＝3.5mm，d4＝8.5mm，w5＝2mm，d5＝5.8mm，w6＝2mm，d6＝3mm，w7＝4mm，d7＝3mm，l 1＝10mm，l2＝9mm，l3＝8mm，g＝1mm，r＝0.4mm，lc＝4mm，wc1＝0.2mm，wc2＝0.2mm，wc3＝0.2mm，s1＝0.2mm，s2＝0.2mm，s3＝0.1mm。

本实例平面宽带滤波天线是在电磁仿真软件HFSS.11中建模仿真的。图7是本实例中的反射系数仿真图，从图7中可以看出，天线的带宽可覆盖5.6～9.1GHz的频带，阻抗带宽为46.7％，与一般的贴片天线相比带宽显著增大。

对于无紧致微带谐振单元(CMRC)的微带准八木天线，图6是其反射系数仿真图。从图6中可以看出，天线的带宽可覆盖5.8～9.2GHz的频带，在3.2GHz处有一个明显的谐振点，而这个谐振点会引入杂波并且降低辐射效率。

对比图6与图7，可以看出紧致微带谐振单元6对微带准八木天线在3.2GHz左右的杂波有明显的抑制效果，实现了滤波的作用。同时，紧致微带谐振单元6也在一定程度上改善了天线带宽。

可以看出，紧致微带谐振单元6没有额外增加天线尺寸，结构紧凑，实现了小型化。

如图9和图10所示，分别为本发明平面宽带滤波天线在3.2GHz、7.5GHz频率下的电流分配图，可以看出在3.2GHz处紧致微带谐振单元对于电流有明显的抑制作用，从而起到了滤波的效果。

天线中心频率7.5GHz左右的辐射方向图如图8所示。从图8可以看出，在中心频率处本发明平面宽带滤波天线的最大增益为4.3dB，在Theat＝90°处可以获得良好的定向辐射性能。

综上所述，本发明一种加载紧致微带谐振单元(CMRC)的平面宽带滤波天线，采用微带准八木天线以获得定向辐射特性，利用特殊的馈电结构实现宽带特性，通过在50欧姆微带线上加载紧致微带谐振单元的方式来实现滤波，从而最终形成一个平面宽带滤波天线，具有结构简单、生产成本低、带宽宽、小型化、定向辐射等特性的滤波天线，非常适用于现代无线通信系统。