基于双模谐振器的FDD天线的制作方法

本实用新型涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于双模谐振器的FDD天线。

背景技术：

天线作为发射和接收电磁波的设备，是无线通信系统中不可缺少的关键组成部分。天线本身具有可逆性，即同一副天线即可用作发射天线，也可用作接收天线。在早期的无线通信系统中，天线需要通过支架架高来获得远的通信距离。由于无线收发信机体积和重量都较大，为了减轻架高的天线的重量，通常将天线和收发信机分离开，两者通过射频电缆即馈线相连接，收发信机的内部通过微波隔离器件如射频开关、环形器、定向耦合器和双工器等来将传送给天线的发射通道的信号以及通过天线接收下来的接收通道的信号分离开来。在这样的系统中，天线和收发信机都需要外加匹配网络与馈线来相匹配，从而使得整个系统体积大、重量重，尤其由馈线和匹配网络带来的损耗会极大的降低信号的传送效率。

在现代的移动通信设备如手持、车载、机载和星载设备中，为了使得系统的结构紧凑、重量轻，便于携带，通常将天线和收发信机设计集成在一起，这使得天线和收发设备的射频前端一体化设计成为了新的发展趋势，得到了越来越多工业界学术界的学者的关注。射频前端的一体化设计将摈弃两端的匹配网络和连接的馈线，这会大幅的提高信号的传送效率，同时使得无线通信系统的整体体积大为减少，重量大为减轻。天线和射频收发信机一体化设计的关键是实现天线、双工器或收发滤波器的一体化设计。通过将天线和射频收发信机中的双工器以及滤波器进行一体化，实现能同时发射和接收的天线，就是本专利中所述的双工天线。双工天线具有以下特征：首先它具有相互隔离的用于发射和接收的两个端口，其次发射和接收共用一个辐射口径或是辐射体，最后通过天线的向图和增益可以看出它具有高的发射接收抑制比。双工天线用一个部件同时实现无线电磁波的发射和接收、收发分离及抗干扰的功能，可实现一体化无线设备的高效率、低成本和轻量化，能广泛应用于北斗导航、射频识别、WLAN、FDD-LTE移动通信终端或一体化中继和室内基站等设备，相关的技术科研能够作为5G移动通信技术的储备。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于双模谐振器的FDD天线。

本实用新型的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于双模谐振器的FDD天线，包括一个开方槽3的方环贴片2、一个堆叠的寄生方贴片1、加载在方环贴片2内边缘的第一短路片4和第二短路片5、发射通道馈电探针6、接收通道馈电探针7、发射通道馈电网络和接收通道馈电网络，所述的发射通道馈电网络包括第一微带馈线11、发射通道双模谐振器，所述的发射通道双模谐振器包括C型的第一微带线15和第一开路枝节线17、发射通道双模谐振器缝隙耦合微带线13、发射通道双模谐振器抽头耦合微带线19，所述的接收通道馈电网络包括第二微带馈线12、接收通道双模谐振器，所述的接收通道双模谐振器包括C型的第二微带线16和第二开路枝节线18，接收通道双模谐振器缝隙耦合微带线14，接收通道双模谐振器抽头耦合微带线20，及发射端口24(端口1)，接收端口25(端口2)。

进一步地，所述的基于双模谐振器的FDD天线包括三层介质基板，开方槽3的方环贴片2印刷在中间介质基板22的上表面，堆叠的寄生方贴片1印刷在上层介质基板21的上表面，反射地板10印刷在下层介质基板23的上表面，发射通道馈电网络和接收通道馈电网络印刷在下层介质基板23的下表面。第一短路片4和第二短路片5的一端连接在方环贴片2的内边缘，另一端连接到反射地板10。

进一步地，所述的基于双模谐振器的FDD天线，印刷在中间介质基板22的上表面的方环贴片2，在其内边缘加载的第一短路片4和第二短路片5是矩形金属片且沿着内环边缘关于方环贴片2几何中心对称。

进一步地，所述的基于双模谐振器的FDD天线，下层介质基板23的上表面覆盖有金属的反射地板10，发射通道馈电探针6、接收通道馈电探针7位于方环贴片2几何中心的两边且都在方环贴片2的中心轴线上，同时两个馈电探针的一端与加载短路片的方环贴片2相连，另一端则分别穿过反射地板10和下层介质基板23上的第一通孔8和第二通孔9与发射通道双模谐振器抽头耦合微带线19和接收通道双模谐振器抽头耦合微带线20的延长线相连。

进一步地，印刷在中间介质基板22上表面的加载短路片的方环贴片2和印刷在上层介质基板21上表面的堆叠的寄生方贴片1能产生一个具有两个谐振模式的单极化贴片天线。发射通道双模谐振器和具有两个谐振模式的单极化贴片天线的低频谐振模式相耦合产生的发射天线使得频率为f_发的发送信号能够通过、而频率为f_收的接收信号不能通过。

进一步地，接收通道双模谐振器和具有两个谐振模式的单极化贴片天线的高频谐振模式相耦合产生的接收天线使得频率为f_收的接收信号能够通过、而频率为f_发的发送信号不能通过。

进一步地，发射通道双模谐振器的一端口通过发射通道双模谐振器缝隙耦合微带线13进行缝隙耦合，另一端口通过发射通道双模谐振器抽头耦合微带线19进行抽头耦合，使得发射通道双模谐振器在传统的双模谐振器基础上在上阻带又引入了一个传输零点，提高了对上阻带的抑制水平。

进一步地，接收通道双模滤波器的一端口通过接收通道双模谐振器缝隙耦合微带线14进行缝隙耦合，另一端口通过接收通道双模谐振器抽头耦合微带线20进行抽头耦合，同时在缝隙耦合的端口处又引入一开路枝节线使得接收通道双模谐振器在传统的双模谐振器基础上在下阻带又引入了一个传输零点，提高了对下阻带的抑制水平。

进一步地，发射通道中连接第一微带线15和发射通道馈电探针6的发射通道双模谐振器抽头耦合微带线19的长度满足以下要求：保证对于频率为f_收的接收信号而言，其在发射端口接匹配负载时，接收通道等效为开路负载。

进一步地，接收通道中连接第二微带线16和接收通道馈电探针7的接收通道双模谐振器抽头耦合微带线20的长度满足以下要求：保证对于频率为f_发的接收信号而言，其在接收端口接匹配负载时，发射通道等效为开路负载。

进一步地，所述的发射通道和接收通道可以通过调节连接对应通道谐振器和馈电探针的发射通道双模谐振器抽头耦合微带线19的长度和接收通道双模谐振器抽头耦合微带线20的长度使得发射通道和接收通道共同工作不受影响，从而实现了共用同一辐射体的频分双工天线。

进一步地，所述的发射通道在接收通带具有两个传输零点，接收通道在发射通带具有两个传输零点，这种非对称的传输零点的结构形式使得发射端和接收端的隔离大幅提高。

本实用新型相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本实用新型将内环边缘加载第一短路片4和第二短路片5的方环贴片2和堆叠的寄生方贴片1经发射通道馈电探针6或接收通道馈电探针7馈电设计了一个具有两个谐振模式的单一极化的贴片天线，且两个谐振模式的频点间隔很近，便于实现发射接收频率间隔近的频分双工天线。

2、本实用新型在发射通道和接收通道馈电网络中，发射通道引入的双模谐振器在接收通带具有两个传输零点，接收通道引入的双模谐振器在发射通带也具有两个传输零点，这种非对称传输零点的引入形式，使得发射端和接收端间具有高的隔离度。

3、本实用新型发射通道和接收通道间的互扰小，通过改变发射通道双模谐振器中连接第一微带线15和发射通道馈电探针6之间的发射通道双模谐振器抽头耦合微带线19的长度使得保证发射端口24(端口1)工作时，接收通道等效为开路负载，而改变连接接收通道双模谐振器第二微带线16和接收通道馈电探针7之间的接收通道双模谐振器抽头耦合微带线20的长度使得保证接收端口25(端口2)工作时，发射通道等效为开路负载，从而实现发射通道和接收通道间的小的互扰。

4、现有的同极化双工天线，通常是利用贴片的基模和三次模和一对谐振器分别耦合实现天线的双工工作，造成双工天线的发射接收频率间隔大。另外大多的双工天线没有引入非对称的辐射零点，使得一端口工作时，对另一端口的抑制不够。而本实用新型采用加载短路片的方环贴片和堆叠的寄生方贴片产生一个具有两个频率间隔很近的谐振模式的单极化贴片天线，再利用发射通道中引入在接收通带处的两个传输零点和接收通道中引入在发射通带处的两个传输零点的非对称传输零点的方式，使得发射端和接收端间具有高的隔离特性。

附图说明

图1为本实施例的总示意图以及主要组成部分的编号标注；

图2为本实施例的总示意图以及细化的编号标注；

图3为本实施例天线的正面剖视图；

图4为本实施例单端口激励的具有两个谐振频点的单极化天线的正面剖视图；

图5为本实施例上层介质基板的俯视图；

图6为本实施例中间介质基板的俯视图；

图7为本实施例下层介质基板的俯视图；

图8为本实施例下层介质基板的仰视图；

图9为本实施例上层介质基板上表面结构的尺寸标注图；

图10为本实施例中间介质基板上表面结构的尺寸标注图；

图11为本实施例下层介质基板下表面结构的尺寸标注图；

图12为本实施例下层介质基板上接收通道馈电网络尺寸标注图；

图13为本实施例下层介质基板上表面结构的尺寸标注图；

图14为本实施例单端口激励的具有两个谐振频点的单极化天线的仿真S参数曲线图；

图15(a)为本实施例单端口激励的具有两个谐振频点的单极化天线的1.95GHz仿真表面电流分布图；

图15(b)为本实施例单端口激励的具有两个谐振频点的单极化天线的2.14GHz仿真表面电流分布图；

图16为本实施例发射通道滤波器实例的仿真S参数曲线图；

图17为本实施例接收通道滤波器实例的仿真S参数曲线图；

图18为本实施例天线的测试S参数曲线图；

图19为本实施例天线的测试增益随频率变化曲线；

图20(a)为本实施例发射端口24(端口1)(1.95GHz)激励的xoz面测试方向图；

图20(b)为本实施例发射端口24(端口1)(1.95GHz)激励的yoz面测试方向图；

图21(a)为本实施例接收端口25(端口2)(2.14GHz)激励的xoz面测试方向图；

图21(b)为本实施例接收端口25(端口2)(2.14GHz)激励的yoz面测试方向图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例

参照图1、图2及图3，本实施例基于双模谐振器的FDD天线，包括一个开方槽3的方环贴片2、一个堆叠的寄生方贴片1、加载在方环贴片2内边缘的第一短路片4和第二短路片5、发射通道馈电探针6、接收通道馈电探针7、发射通道馈电网络和接收通道馈电网络，所述的发射通道馈电网络包括第一微带馈线11、发射通道双模谐振器，所述的发射通道双模谐振器包括C型的第一微带线15和第一开路枝节线17、发射通道双模谐振器缝隙耦合微带线13、发射通道双模谐振器抽头耦合微带线19，所述的接收通道馈电网络包括第二微带馈线12、接收通道双模谐振器，所述的接收通道双模谐振器包括C型的第二微带线16和第二开路枝节线18、接收通道双模谐振器缝隙耦合微带线14、接收通道双模谐振器抽头耦合微带线20、及发射端口24(端口1)、接收端口25(端口2)。第一短路片4和第二短路片5的一端连接在方环贴片2的内边缘，另一端连接到发射地板10。发射通道馈电探针6和接收通道馈电探针7的一端与加载短路片的方环贴片2相连，另一端则分别穿过反射地板10和下层介质基板23上的第一通孔8和第二通孔9与发射通道双模谐振器抽头耦合微带线19和接收通道双模谐振器抽头耦合微带线20的延长线相连。

参照图4本实施例单端口激励的具有两个谐振频点的单极化天线包括一个堆叠的寄生方贴片1，一个微带的方环贴片2，加载在方环贴片2内环边缘的第一短路片4和第二短路片5，发射通道馈电探针6、50_Ω的第一微带馈线11及发射端口24(端口1)。

单端口激励的具有两个谐振频点的单极化天线由50_Ω的第一微带馈线11与发射端口24(端口1)相连，另一端连接到发射通道馈电探针6。

发射通道馈电网络中引入的发射通道双模谐振器的一端与发射端口24(端口1)相连，另一端通过抽头耦合端微带线19与发射通道馈电探针6相连。

接收通道馈电网络中引入的接收通道双模谐振器的一端与接收端口25(端口2)相连，另一端通过抽头耦合端微带线20与接收通道馈电探针7相连。

发射通道双模谐振器输出端采用抽头耦合，发射通道双模谐振器C型的第一微带线15在上阻带会产生一个传输零点，发射通道双模谐振器的第一开路枝节线17也会在上阻带引入一个传输零点。

接收通道双模谐振器输出端采用抽头耦合，接收通道双模谐振器C型的第二微带线16在下阻带会产生一个传输零点，接收通道双模谐振器的第二开路枝节线18会在下阻带引入一个传输零点，接收通道馈电网络输入端缝隙耦合微带线14也会在下阻带引入一个传输零点。

单端口激励的具有两个谐振频点的单极化天线由印刷在中间介质基板22上表面的加载短路片的方环贴片2和在上层介质基板21上表面的堆叠的寄生方贴片1组成。由印刷在下层介质基板23下表面的第一微带馈线11的一端与发射端口24相连，第一微带馈线11的另一端穿过印刷在下层介质基板23上表面的反射地板10和下层介质基板23的第一通孔8连接到发射通道馈电探针6，发射通道馈电探针6给加载短路片的方环贴片2馈电，加载短路片的方环贴片2通过耦合馈电给堆叠的寄生方贴片1。加载短路片的方环贴片2、在方环贴片2中开的方槽3、堆叠的寄生方贴片1、反射地板10的长度、介质基板间空气层高度及发射馈电探针6的位置通过合理选择使得贴片天线能够具有两个谐振模式和单一的极化方式。作为一个实例，当要求f_发＝1.95GHz，f_收＝2.14GHz时，可以采用相对介电常数为2.55、厚度为h＝0.8mm的介质板做基板，加载第一短路片4和第二短路片5的方环贴片2的长度取66mm，在方环贴片2中开的方槽3长度取34.5mm，堆叠的寄生方贴片1的长度取54mm，反射地板10的长度取120mm，介质基板间空气层高度取3mm，发射馈电探针6的位置取距离反射地板10的边缘34mm，图14是这个时候的单端口激励的具有两个谐振频点的单极化天线的仿真S参数，图15是这个时候的单端口激励的具有两个谐振频点的单极化天线的仿真表面电流分布图，可以看到天线在1.95GHz具有一个谐振频点，在2.14GHz也具有一个谐振频点，且天线在这两个谐振频点的电流分布均沿着同一轴线方向，具有单一极化。

发射通道馈电网络由发射通道双模谐振器抽头耦合微带线19、发射通道双模谐振器C型的第一微带线15、第一开路枝节线17、发射通道双模谐振器输入端缝隙耦合微带线13、发射通道输入端第一微带馈线11组成。发射通道双模谐振器抽头耦合微带线19、发射通道双模谐振器C型第一微带线15、第一开路枝节线17、发射通道双模谐振器输入端缝隙耦合微带线13、发射通道输入端第一微带馈线11的长度和宽度以及缝隙耦合端口的耦合间距、抽头耦合端口位置通过合理选择使得在频率为f_发的接收信号能够通过、而频率为f_接的发送信号不能通过。作为一个实例，当要求f_发＝1.95GHz，f_收＝2.14GHz时，可以采用相对介电常数为2.55、厚度为h＝0.8mm的介质板做基板，发射通道双模谐振器抽头耦合微带线19的长度取5mm、宽度取2.25mm，发射通道双模谐振器C型第一微带线15两臂长度取14.2mm，宽度取1mm，两臂间距长度取22.3mm，宽度取1mm，第一开路枝节线17长度取26.1mm、宽度取1mm，发射通道双模谐振器输入端缝隙耦合微带线13长度取26.1mm、宽度取1mm，缝隙耦合微带线13距离发射通道双模谐振器C型的第一微带线15的耦合间距取0.3mm，发射通道双模谐振器抽头耦合微带线19的中心距离第一开路枝节线17的中心的水平距离取4.325mm，图16是这个时候的发射通道双模滤波器仿真的S参数，可以看到f_发的发射信号能够通过，同时上阻带引入了两个传输零点使得接收信号不能通过。

接收通道馈电网络由接收通道双模谐振器抽头耦合微带线20、接收通道双模谐振器C型的第二微带线16、第二开路枝节线18、接收通道双模谐振器输入端缝隙耦合微带线14、接收通道输入端第二微带馈线12组成。接收通道双模谐振器抽头耦合微带线20、接收通道双模谐振器C型的第二微带线16、第二开路枝节线18、接收通道双模谐振器输入端缝隙耦合微带线14、接收通道输入端第二微带馈线12的长度和宽度以及缝隙耦合端口的耦合间距、抽头耦合端口位置通过合理选择使得在频率为f_接的接收信号能够通过、而频率为f_发的发送信号不能通过。作为一个实例，当要求f_发＝1.95GHz，f_收＝2.14GHz时，可以采用相对介电常数为2.55、厚度为h＝0.8mm的介质板做基板，接收通道双模谐振器抽头耦合微带线20的长度取5mm、宽度取2.25mm，接收通道双模谐振器C型的第二微带线16两臂长度取9.2mm、宽度取1mm，两臂间距长度取20.6mm、宽度取1mm，第二开路枝节线18长度取26mm、宽度取1mm，接收通道双模谐振器输入端缝隙耦合微带线14长度取61.1mm、宽度取1mm，缝隙耦合微带线14距离C型的第二微带线16的耦合间距取0.4mm，接收通道双模谐振器抽头耦合微带线20的中心距离第二开路枝节线18的中心的水平距离取1.275mm，图17是这个时候的接收通道双模滤波器仿真的S参数，可以看到f_接的接收信号能够通过，同时下阻带引入了两个传输零点使得发射信号不能通过。

当发送时，发送信号从发射端口24(端口1)送入，经过由发射通道输入端第一微带馈线11、发射通道双模谐振器输入端缝隙耦合微带线13、发射通道双模谐振器C型的第一微带线15、第一开路枝节线17、发射通道双模谐振器抽头耦合微带线19组成的发射通道馈电网络将信号传递给发射通道馈电探针6，发射通道馈电探针6再将信号传递给加载短路片的方环贴片2，最后通过方环贴片2耦合信号给堆叠的方环贴片1辐射出去。

当接收时，接收信号从堆叠的方形辐射贴片1处接收，方形辐射贴片1将接收到的信号耦合给加载短路片的方环贴片2，方环贴片2再将信号传递给接收通道馈电探针7，接收通道馈电探针7再将信号传递给由接收通道双模谐振器抽头耦合微带线20、接收通道双模谐振器C型的第二微带线16、第二开路枝节线18、接收通道双模谐振器输入端缝隙耦合微带线14、接收通道输入端第二微带馈线12组成的接收通道馈电网络，从接收端口25(端口2)输出。

图5、6、7、8分别为三个介质基板上下表面的电气结构图，条纹填充部分为导体铜覆盖的结构，其余部分为介质基板。

图9、10、11、12、13为各部分电气结构的尺寸标注图。

结合图2，图9，图10，图11，图12，图13的尺寸标注，本实施例中天线的具体参数如下：三个介质板的材料和尺寸相同，厚度c为0.8mm，宽度b为120mm，长度a为120mm。三个介质板之间的高度h为3mm。正方形贴片的边长1a及距离介质板边缘的间距分别为54mm、33mm。加载第一短路片4和第二短路片5的方环贴片的外环边长2a及距离介质板边缘的间距分别为66mm、27mm。加载两短路片的方环贴片的内环边长3a及与外环的间距3b分别为34.5mm、15.75mm。两个短路片的长度4a和5a均为3.5mm。发射通道馈电网络的主要尺寸11a，11b分别为27.125mm，2.25mm，15a，15b，15c分别为22mm，1mm，10.75mm，17a，17b分别为25.7mm，1mm，19a，19b分别为13.25mm，2.25mm，13a，13b，13c分别为22.75mm，1mm，0.4mm。接收通道馈电网络的主要尺寸12a，12b，12c，分别为15.025mm，2.25mm，6.25mm，14a，14b，14c，14d，14e，14f，14g分别为27.48mm，1mm，4mm，18.85mm，9.5mm，0.45mm，0.55mm，16a，16b，16c分别为21.1mm，1mm，8.7mm，20a，20b分别为2.5mm，2.25mm。该天线的发射端口24(端口1)工作在1.95GHz的频带。接收端口25(端口2)工作在2.14GHz的频带。在两个频带内，两个端口的隔离度均大于32dB，如图18。在天线的发射端口24(端口1)工作时，天线在发射端口24(端口1)工作频率1.95GHz处的增益为6.8dBi，对接收频带的抑制超过27dB，在天线的接收端口25(端口2)工作时，天线在接收端口25(端口2)工作频率2.14GHz处的增益为6.6dBi，对发射频带的抑制超过31dB，如图19。两个工作频带范围内，天线的增益基本上都大于6dBi，交叉极化大于24dB，且都是关于x方向的线极化波，如天线的仿真测试方向图20、21所示。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型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实用新型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，都包含在本实用新型的保护范围之内。