本发明涉及无线通信天线领域，特别涉及一种宽带差分馈电形式的微带滤波天线，可作为射频收发机前端的天线，广泛应用于移动通信、卫星通信以及雷达等无线通信系统中。
背景技术：
随着无线通信技术的迅速发展，射频前端系统结构的数量和复杂度急剧增加，具有小型化、集成化特性的多功能模块受到了越来越多的关注。天线和滤波器是射频前端的两个重要器件，也是尺寸最大的两个器件，通常采用50Ω传输线连接起来使用，这样会导致两种器件之间的不匹配，以及射频前端整体的体积大，损耗大。为了克服这些问题，研究者提出了能够同时实现辐射和滤波功能的滤波天线。
差分电路由于具有线性度高、抗干扰能力强、动态范围大等优点被广泛应用于射频前端系统中。目前大多数的滤波天线采用的是传统单端口馈电的方式，当其与差分射频前端集成时，需采用巴伦结构进行平衡与非平衡转换，巴伦结构的引入会增加射频前端的损耗，增大结构的整体尺寸。此外，目前滤波天线的设计主要采用协同设计方法，在宽带结构中，需加入多阶谐振器，会引入更多的损耗，降低天线增益。
由上可知，现有技术中较少涉及差分馈电滤波天线的实现方法，特别是结构简单、紧凑的宽带差分馈电滤波天线。
技术实现要素：
本发明的目的是针对现有传统微带天线带宽窄，无增益选择特性，提供一种宽带差分馈电微带滤波天线，它能实现较宽的工作带宽和良好的增益选择特性。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种宽带差分馈电微带滤波天线，包括相同长宽尺寸的三层介质基板，上层介质基板(1)的下表面正中间刻有一个寄生贴片(5)；中间层介质基板(2)与上层介质基板留有空气间隙，用于隔开两层介质基板；在中间层介质基板(2)上表面中间刻有一个辐射贴片(6)；中间层介质基板(2)和下层介质基板(3)之间，有与介质基板同等大小的金属层(4)作为接地面；
下层介质基板(3)的下表面刻有一对轴对称馈电微带线(8)，馈电微带线的对称轴与馈电微带所在直线的交点与寄生贴片(5)中心、辐射贴片(6)中心位于一条直线上；所述的两条馈电微带线(8)分别设有与其垂直的金属条(即为枝节)，所连接的金属条能够在天线增益曲线的上边缘增加零点，改善上边缘的选择特性，金属条的长度和宽度决定增益零点产生的频率。两条馈电微带线(8)上均刻有一个U型槽，能够在天线增益曲线的下边缘产生零点，U型槽的长度决定增益零点产生的频率，宽度影响天线的滤波效果。
金属面(4)上开有一对轴对称的耦合缝隙(7)(即为谐振缝隙)，形状可以是H型、I型、U型等，其尺寸影响天线的阻抗匹配特性。两个耦合缝隙(7)的对称轴与其中心所在直线的交点与寄生贴片(5)中心、辐射贴片(6)中心位于一条直线上；
寄生贴片(5)和辐射贴片(6)可以是圆形、正方形或者长方形等，其尺寸决定天线的工作频率、工作带宽，以及增益曲线上边缘零点产生的频率。
空气间隙的厚度影响天线的带宽。
作为优选，寄生贴片(5)的中心与上层介质基板(1)的中心重合。
工作过程：等幅反相的馈电信号通过两条馈电微带线(8)同时输入，形成差分馈电结构。通过两个耦合缝隙(7)将电磁波耦合给中间层介质板(2)上的辐射贴片(6)，再通过空气介质传给上层介质板(1)上的寄生贴片(5)，最后将能量辐射出去从而形成天线。当频率达到3.2GHz的时候，馈电微带线(8)上的U型槽集中了大量的电磁波，使得最终基本没有电磁波到达辐射贴片(6)，从而产生了低频带上的增益零点；当频率增大到6.4GHz的时候，两个贴片上的电流达到反向抵消，产生第二个增益零点；馈电微带线(8)上与其垂直的金属条，在是频率在8.15GHz的时候产生第三个增益零点；最终实现了滤波的效果，将不需要的信号在带外得到抑制。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1)本发明提出的宽带差分馈电微带滤波天线，采用差分馈电技术，可以直接与差分射频前端集成，使得工作频带内的方向图稳定且对称，交叉极化得到了更好的抑制，实现了宽带的效果，同时易于与差分有源器件的集成。
2)本发明提出的宽带差分馈电微带滤波天线，相比较传统级联式的滤波天线，采用U型槽加上金属条的方式，直接在天线的馈电微带线上添加滤波结构，使得天线整体的体积大大的减小，没有额外的阻抗匹配网络，减小了插入损耗，带外抑制效果明显，带内增益平稳，实现了射频前端的小型化，满足了目前对通信设备小型化的要求。
3)本发明提出的宽带差分馈电微带滤波天线结构简单，加工容易，成本较低，因而可以大规模生产。
附图说明
图1是本发明宽带差分馈电微带滤波天线立体结构示意图；
图2是本发明宽带差分馈电微带滤波天线侧视图；
图3是本发明宽带差分馈电微带滤波天线的顶层介质板仰视图；
图4是本发明宽带差分馈电微带滤波天线的中间层介质板结构示意图；
图5是本发明宽带差分馈电微带滤波天线的接地板的示意图；
图6是本发明宽带差分馈电微带滤波天线的底层介质板结构示意图；
图7是本发明宽带差分馈电微带滤波天线的馈电微带线上U型槽的放大图；
图8是本发明宽带差分馈电微带滤波天线的反射系数和增益曲线仿真结果图；
图9是本发明宽带差分馈电微带滤波天线在4.9GHz时辐射方向图的仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。结合图1和图2，宽带差分馈电微带滤波天线，包括上层介质基板1、中间层介质基板2、下层介质基板3、接地面4、方形寄生贴片5、方形辐射贴片6、耦合缝隙7、馈电微带线8。
介质基板1在最上层，介质基板2在中间，两者之间有一定厚度的空气间隙隔开，介质基板3在最下层，通过接地面4与介质基板2隔开。方形寄生贴片5位于介质基板1下表面的中心，方形辐射贴片6位于介质基板2上表面的中心。两H型耦合缝隙7刻在接地面4上，并且关于Y轴对称。两馈电微带线8位于介质基板3下表面，关于Y轴对称，两条馈电微带线8末端分别加载一条垂直金属条，两条馈电微带线8上分别刻有一条U型缝隙。
所述介质基板1相对介电常数εr为1～10.2，厚度h1为<0.25λ；介质基板2相对介电常数εr为2.2～10.2，厚度h2为0.01λ～0.1λ；介质基板3相对介电常数εr为2.2～10.2，厚度h3为0.01λ～0.1λ；空气间隙的厚度h4为0.03λ～0.2λ；介质基板的长度L1和宽度W1为0.9λ～1.5λ；其中λ为自由空间波长。
寄生贴片5的长度L2和宽度W2为0.5λg～0.75λg，其中λg是介质基板1中的波导波长；辐射贴片6的长度L3和宽度W3为0.4λg～0.48λg，其中λg是介质基板2中的波导波长；两个耦合缝隙7各自的总长度即(sl1×2+sl2)为0.35λg～0.45λg，宽度sw1和sw2为0.01λg～0.05λg，其中λg是介质基板2中的波导波长；两条馈电微带线8上加载的垂直金属条的总长度即(Lf2×2+Wf1)为0.45λg～0.55λg，宽度Wf2为0.01λg～0.05λg，其中λg是介质基板3中的波导波长；两条馈电微带线8上开的缝隙总长度即(Lf3×2+Wf3)为0.9λg～1.1λg，宽度Wf4为0.01λg～0.05λg，其中λg是介质基板3中的波导波长。
下面结合实施例对本发明的装置细节及工作情况进行细化说明。
结合图2，选用的介质基板1型号为FR4_epoxy，相对介电常数为4.4，厚度h1为0.5mm(0.008λ)，长度L1和宽度W1均为60mm(0.98λ)；选用的介质基板2相对介电常数为2.65，厚度h2为1.575mm(0.025λ)，选用的介质基板3型号为FR4_epoxy，相对介电常数为4.4，厚度h1为1mm(0.016λ)；介质基板1和介质基板2中间的空气间隙厚度为5mm(0.08λ)，其中λ为61.2mm(λ为4.9GHz中心频率下的自由空间波长)。
结合图3，寄生贴片5的长度L2和宽度W2均为19mm(0.65λg)，其中λg为29.17mm(λg为介质基板1在4.9GHz中心频率下的工作波长)。
结合图4，辐射贴片6的长度L2和宽度W2均为16.5mm(0.44λg)，其中λg为37.6mm(λg为介质基板1在4.9GHz中心频率下的工作波长)。
结合图5，耦合缝隙7的长度sl1为4mm，sl2为7mm，总长度即(sl1×2+sl2)为15mm(0.40λg)，宽度sw1为1mm(0.026λg)，sw2为0.6mm(0.016λg)，两个耦合缝隙7之间的距离d为10mm(0.26λg),其中λg为37.6mm(λg为介质基板1在4.9GHz中心频率下的工作波长)。
结合图6和图7，馈电微带线8上加载的垂直金属条的长度Lf2为6.55mm，Wf1为1.9mm，总长度即(Lf2×2+Wf1)为15mm(0.51λg)，宽度Wf2为1mm(0.03λg)；馈电微带线8上开的缝隙的长度Lf3为14mm，Wf3为1.2mm，总长度即(Lf2×2+Wf1)为29.2mm(1.00λg)，宽度Wf4为0.3mm(0.01λg)，其中λg为29.17mm(λg为介质基板3在4.9GHz中心频率下的工作波长)。
结合图8，宽带差分馈电微带滤波天线差模反射系数低于-10dB的工作频带为4.1GHz～5.86GHz，相对带宽35.3％。工作频带内最大增益为5GHz处的7.98dBi，通带内增益平稳。在增益曲线下边缘3.2GHz处得到一个零点，上边缘6.4GHz和8.15GHz处各得到一个增益零点。带外抑制度大于20dB，有良好的滤波特性。
结合图9，宽带差分馈电微带滤波天线在E面和H面内都能得到对称的辐射方向图，并且E面和H面的交叉极化均小于-45dB，可见天线在工作频带内具有良好的辐射性能。
由上可知，本发明基于差分馈电技术的宽带微带滤波天线，可实现宽带特性，通带内增益稳定，辐射方向图对称且交叉极化低，可实现多个带外增益零点，带外抑制度大于20dB，可实现较好的滤波特性。