一种低剖面具有宽带外抑制的滤波天线

1.本发明属于天线技术领域，涉及贴片式滤波天线，具体是一种低剖面具有宽带外抑制的滤波天线，适用于要求有易于集成的结构，且能抑制干扰信号的通信系统中。


背景技术：

2.由于通信系统发展，通信系统各部分比以前有了很大变化与进步。系统刚开始只需要实现简单的信号传递，功能较为单一，也没有考虑噪声对通信系统的影响。到现代通信发展出了越来越多的形式，为了实现更好的通信效果，增强对抗恶劣环境的能力，对通信设备的要求越来越高了。
3.随着通信各个频段使用越来越多，解决信号干扰成为日益突出的问题，对于通信前端的天线来说，为了提高通信系统的抗干扰能力，具有良好的带外抑制效果的天线成为研究的重要方面，带外信号抑制方法不断被提出。此外，为了提高信号识别的精确度，天线要对信号有较好的选择性，因此通信系统中的天线具有滤波效果也成为重要指标。然而现有技术中具有谐波抑制特性的天线很少同时具有滤波特性，天线匹配阻抗可以抑制到较宽的范围，但是增益抑制却不能达到较低的水平，在通带外仍然有较强的辐射。另外复杂的结构也使得天线的加工难度大大增加。因为通信系统正朝着小型化，低成本方向发展，必然要求天线应具有低剖面和小型化和易加工的特点。贴片型天线自从被提出后有很多的应用，它具有易加工，且易于和通信系统中其他结构集成的特点。现有技术中贴片型滤波天线有好的增益抑制效果，但是带外增益抑制范围较小。例如在公开号为cn112736423a的一种紧凑型低剖面差分滤波微带贴片天线，由单层介质基板，金属地板和金属层组成，其中金属层由两个蜿蜒枝节加载的准t形谐振器和一个准h形贴片组成；准t形谐振器在低频引进一个辐射零点，准h形贴片在高频引进一个辐射零点，极大提高频率选择性。因为贴片天线会产生高频谐波，但是其模型中谐波抑制没有很宽。没有良好的谐波抑制，通信系统会收到高频谐波的影响，通信效果就会下降。
4.滤波天线的带外抑制范围很小，高频杂波抑制效果有限，是现有技术存在的缺陷。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种高频谐波抑制良好的低剖面具有宽带外抑制的滤波天线。
6.本发明是一种低剖面具有宽带外抑制的滤波天线，包括有介质基板，介质基板上印制有金属辐射贴片、金属地板和微带馈线，金属辐射贴片和金属地板上蚀刻缝隙线；印制在介质基板上的微带馈线通过缝隙对金属辐射贴片耦合馈电，其特征在于，设有两块形状尺寸和质地相同的介质基板，按上下顺序层叠，居上的介质基板为第一矩形介质板，处于下方的介质基板为第二矩形介质板；所述第一矩形介质板的上表面居中印制有矩形金属辐射贴片，矩形金属辐射贴片上平行于x轴蚀刻有矩形双缝结构，顶点位于矩形金属辐射贴片长边上；所述第二矩形介质板的上表面印制金属地板，金属地板中心位置蚀刻有一个u型缝
隙，u型缝隙两条平行线平行于矩形双缝结构，形成一个低频处的辐射零点，该u型缝隙封口端处于x轴正向；金属地板上平行于y轴蚀刻有一通透的矩形缝隙，形成对矩形金属辐射贴片耦合馈电缝隙，矩形缝隙靠近u型缝隙封口端；所述第二矩形介质板的下表面印制有十字交叉型金属微带馈线，所述十字交叉型金属微带馈线长线平行于x轴，长线中心与第二矩形介质板的中心线重合，长线一端边与第二矩形介质板靠近矩形缝隙所在一侧的介质板同边缘；所述第一矩形介质板和第二矩形介质板中间空气层为1mm。
7.本发明解决了贴片滤波天线没有好的带外谐波抑制的技术问题。
8.与现有技术相比，本发明具有如下优点：
9.高频通带边缘具有更好的频率选择性：本发明印制在第一矩形介质板上表面带有一对缝隙的辐射贴片，有效的在通带高频处产生一个辐射零点，是一个高频增益抑制点。另外矩形辐射贴片上缝隙的引入导致辐射贴片电流发生变化，使得天线通带带宽增加了一倍。仿真结果表明，本发明阻抗相对带宽为9％，阻带增益抑制在
‑
10db以下，本发明高频通带边缘有较好的频率选择性。
10.提高了通带低频边缘处的选择性：本发明由于金属地板上引入一个u型缝隙，该u形缝隙和矩形缝隙相邻，调节u型槽的长度，可以获得低频处的辐射零点，是一个低频增益抑制点，该辐射零提高了通带低频边缘处的选择性，由于该缝隙处于金属地板上，其在特定频率发生谐振，产生能量耗散，阻止能量传递到辐射贴片来形成辐射零，不会对辐射贴片产生影响，使得通带方向图辐射特性良好，本发明低频阻带增益抑制也在
‑
10db以下。
11.天线阻带抑制效果良好：本发明由于馈线加入开路枝节形成十字交叉型结构，枝节在原有的微带馈线的谐振模式基础上产生了一个传输零点，适当调节枝节长度可以控制传输零的位置，调整传输零点频率到天线谐波处，可以很好地抑制阻带谐波，并且阻带增益抑制为
‑
10db以下的范围从5.8增加到8.4ghz。另外微带线低频传输频点不受影响，保证通带辐射特性的稳定。仿真结果表明天线在通带效率高达92％，而阻带效率均低于10％，表明天线阻带抑制效果良好。
12.结构简明：传统天线用级联滤波电路来获得带外抑制效果，但是电路复杂损耗较大，还会对通带辐射有较大影响，并且体积较大难以集成。本发明采用滤波结构和十字交叉型馈线简单，实现宽的带外抑制效果，对通带辐射影响较小，简单结构有较大优势。
附图说明
13.图1是本发明的整体结构示意图；
14.图2是本发明侧视结构图；
15.图3是本发明第二介质基板上表面的辐射贴片结构示意图；
16.图4是本发明第二介质基板上表面的金属地板蚀刻缝隙结构示意图；
17.图5是本发明第二介质基板下表面的十字交叉型微带馈线结构示意图；
18.图6是本发明实施例的s
11
‑
频率仿真结果图；
19.图7是本发明实施例的增益
‑
频率仿真结果图；
20.图8是本发明的辐射效率
‑
频率仿真结果图。
具体实施方式
21.下面结合附图和具体实施例，对本发明详细描述：
22.实施例1
23.通信系统功能随着近年来的不断发展越来越多，制造也越来越精准，多功能和小型化要求也逐渐普遍，贴片天线因为易于集成和制造而被广泛应用，但是通信中信号干扰影响通信质量，贴片滤波天线可以滤除干扰信号，然而通常的贴片滤波天线仅能抑制通带附近的干扰信号或者结构较为复杂，仍然会受到高频谐波的影响，为此本发明经过研究与实验设计出一种低剖面具有宽带外抑制的滤波天线。
24.本发明是一种低剖面具有宽带外抑制的滤波天线，包括有介质基板，介质基板上印制有金属辐射贴片、金属地板和微带馈线，金属辐射贴片和金属地板上蚀刻缝隙线；印制在介质基板上的微带馈线通过缝隙对金属辐射贴片耦合馈电，参见图1，本发明设有两块形状尺寸和质地相同的介质基板，按上下顺序层叠，居上的介质基板为第一矩形介质板1，处于下方的介质基板为第二矩形介质板2。第一矩形介质板1的上表面居中位置印制有矩形金属辐射贴片3，矩形金属辐射贴片3上平行于x轴蚀刻有矩形双缝结构8，矩形双缝结构8平行于矩形金属辐射贴片3短边，矩形双缝结构8的两个顶点位于矩形金属辐射贴片3长边上。本发明的第二矩形介质板2的上表面印制金属地板4，金属地板4中心位置蚀刻有一个u型缝隙9，u型缝隙9两条平行线平行于矩形双缝结构8，产生一个低频处的辐射零点；该u型缝隙9开口方向为x轴负向，封口端处于x轴正向。金属地板4上平行于y轴蚀刻有一通透的矩形缝隙5，形成对矩形金属辐射贴片3耦合馈电缝隙，矩形缝隙5靠近u型缝隙9封口端。本发明的第二矩形介质板2的下表面印制有十字交叉型金属微带馈线6，十字交叉型金属微带馈线6长线平行于x轴，长线中心与第二矩形介质板的中心线重合，长线一端边与第二矩形介质板2靠近矩形缝隙5所在一侧的介质板同边缘。第一矩形介质板1和第二矩形介质板2中间空气层7为1mm。
25.现有贴片滤波天线使用中会产生高次谐波，导致通信系统会受到其他信号的干扰，为了解决带外抑制效果差的问题，本发明展开了研究与实验，本发明的思路为选用双层基板，中间留有空气层，上层贴片引入矩形双缝结构，产生高频处辐射零点；地板上引入u形缝隙，产生低频处辐射零点，最后十字交叉型馈线抑制了高次谐波，上述方法相互作用使得天线获得了良好的带外抑制。有效解决了贴片滤波天线没有好的带外谐波抑制的问题。
26.实施例2
27.一种低剖面具有宽带外抑制的滤波天线的总体构成同实施例1，参见图3，本发明的矩形金属辐射贴片3上蚀刻的矩形双缝结构8，形成一个高频处辐射零点。矩形双缝结构8线宽度s1范围为0.3
‑
0.8mm，长度l1范围为12
‑
13mm，间距d1范围为14
‑
16mm。
28.本例中选择矩形双缝结构8线宽度s1为0.3mm，长度l1范围为12mm，间距d1范围为14mm。这种选定适合较高频率天线。
29.实施例3
30.一种低剖面具有宽带外抑制的滤波天线的总体构成同实施例1
‑
2，本例中选择所矩形双缝结构8线宽度s1为0.8mm，长度l1范围为13mm，间距d1范围为16mm。这种选定适合较低频率天线。
31.实施例4
32.一种低剖面具有宽带外抑制的滤波天线的总体构成同实施例1
‑
3，本例中选择矩形双缝结构8线宽度s1为0.6mm，长度l1范围为12.3mm，间距d1范围为15.5mm。这种选定适合较高频率天线。
33.本发明选择矩形双缝结构并把矩形辐射贴片切开两个缝隙，因为矩形缝隙的方向和矩形辐射贴片上电流流向相同，可以在不影响天线通带辐射的情况下引入高频处的辐射零点。应用相同的原理，矩形辐射贴片3上的矩形双缝结构8可以在不影响天线通带辐射的情况下更改形状来获得辐射零点。
34.实施例5
35.一种低剖面具有宽带外抑制的滤波天线的总体构成同实施例1
‑
4，参见图4，图4是本发明的第二介质基板上表面的金属地板蚀刻缝隙结构示意图。
36.本发明的u型缝隙9缝隙线两平行长边和封口线宽度s2均为0.2
‑
0.5mm，从封口端到开口端的缝隙线长度l2范围为16
‑
19mm，u型缝隙两条平行线距离d2范围为2
‑
4mm。
37.本例中选择线宽度s2为0.2mm，从封口端到开口端的缝隙线长度l2为16mm，u型缝隙两条平行线距离d2为2mm。这种选定适合同轴馈电和微带馈电的天线。
38.实施例6
39.一种低剖面具有宽带外抑制的滤波天线的总体构成同实施例1
‑
5，本例中选择线宽度s2为0.4mm，从封口端到开口端的缝隙线长度l2为17.5mm，u型缝隙两条平行线距离d2为2.5mm。这种选定适合通带频率高的同轴馈电和微带馈电的天线。
40.实施例7
41.一种低剖面具有宽带外抑制的滤波天线的总体构成同实施例1
‑
6，本例中选择线宽度s2为0.5mm，从封口端到开口端的缝隙线长度l2为19mm，u型缝隙两条平行线距离d2为4mm。这种选定适合通带频率低的同轴馈电和微带馈电的天线。
42.本发明选择在金属地板中心蚀刻一个u型缝隙，u型缝隙在地板上而不在辐射贴片上可以避免u型缝隙对低频处辐射零的影响，也很好减少了对通带辐射的影响。因为u型缝隙折叠起来的结构使得其占用较小的面积，能更好达到天线紧凑效果，u型缝隙放置在矩形缝隙旁，可以较好的阻止微带馈线上特定频率处的能量传递到矩形辐射贴片上，从而形成低频处的辐射零点。
43.实施例8
44.一种低剖面具有宽带外抑制的滤波天线的总体构成同实施例1
‑
7，本发明的金属微带馈线6为十字交叉型，形成馈电网络。参见图5，图5是本发明第二介质基板下表面的十字交叉型微带馈线结构示意图。十字交叉型金属微带馈线6包括微带长线和两个相同并且对称加载到微带长线两侧的开路枝节，微带长线宽度wf范围为1.5
‑
3mm，长线长度lf范围为24
‑
27mm，开路枝节宽度ws范围为0.2
‑
0.5mm，两个开路枝节长度ls范围均为7
‑
9mm，到馈电点距离d5范围为9
‑
11mm；使得天线具有宽的带外抑制。
45.本例中选择微带长线宽度wf为1.5mm，长线长度lf为24mm，开路枝节宽度ws为0.2mm，两个开路枝节长度ls均为7mm，到馈电点距离d5为9mm；这种选定适合缝隙耦合馈电天线。
46.实施例9
47.一种低剖面具有宽带外抑制的滤波天线的总体构成同实施例1
‑
8，本例中选择微
带长线宽度wf为3mm，长线长度lf范围为27mm，开路枝节宽度ws为0.5mm，两个开路枝节长度ls均为9mm，到馈电点距离d5为11mm；这种选定适合宽带基板厚的缝隙耦合馈电天线。
48.实施例10
49.一种低剖面具有宽带外抑制的滤波天线的总体构成同实施例1
‑
9，本例中选择微带长线宽度wf为1.8mm，长线长度lf范围为26.5mm，开路枝节宽度ws为0.4mm，两个开路枝节长度ls均为8.5mm，到馈电点距离d5为10.5mm；这种选定适合宽带基板薄的缝隙耦合馈电天线。
50.本发明选用的十字交叉型金属微带馈线结构简明，可实现对贴片滤波天线高频处谐波的抑制，从而获得了宽的带外抑制效果。十字交叉型金属微带馈线对天线通带处的辐射效果影响较小。传统天线用级联滤波电路来获得带外抑制效果，但是电路复杂损耗较大，还会对通带辐射有较大影响，并且体积较大难以集成。本发明简单结构有较大优势。
51.下边给出一个更加详细的例子，对本发明进一步说明，
52.实施例11
53.一种低剖面具有宽带外抑制的滤波天线的总体构成同实施例1
‑
10，
54.参见图2第一矩形介质板1和第二矩形介质板2平行相距h1，h1等于天线通带中心频率3.55ghz处波长的0.012，两矩形介质板边长为l，厚度为均为h。
55.参见图3，矩形金属辐射贴片3长边为pl，短边为pw，位于第一矩形介质板1的上表面上，矩形辐射贴片3上的矩形双缝结构8长度为l1,宽度为s1,缝隙之间距离为d1。
56.参见图4，所述金属地板4位于第二矩形介质板2的上表面上，且其形状与尺寸和第二矩形介质板2相同，矩形缝隙5的长度为l3，宽度为s3，与矩形版边缘距离为d4。u型缝隙9缝隙线宽度为s2，长度为l2，u型缝隙两条平行线距离为d2与矩形缝隙5距离为d3。
57.参见图5，十字交叉型金属微带馈线6位于第二矩形介质板2的下表面上，较宽的微带线长度为lf，宽度为wf，与其垂直的开路微带枝节长度为ls，宽度为ws与馈电端口距离为d5。
58.本发明采用但不限于各参数数值如下：l＝50,pl＝36,pw＝31.2,d1＝15,s1＝0.5,l1＝12.6,d4＝11.7,s3＝1.3,l3＝16.5,d2＝3,s2＝0.3,l2＝18.3,d3＝2.7,wf＝2.2,lf＝26,ws＝0.3,ls＝7.9,d5＝10.2,h＝0.8,h1＝1(所有数值的单位为mm)。
59.本发明的一种低剖面具有宽带外抑制的滤波天线，解决了贴片滤波天线没有好的带外抑制的问题，包括两块按上下顺序层叠的介质基板，第一矩形介质板的上表面印制有矩形金属辐射贴片，矩形金属辐射贴片上蚀刻有矩形双缝结构，形成高频处的辐射零；第二矩形介质板的上下表面分别印制金属地板和十字交叉型金属微带馈线，金属地板上蚀刻有一通透的矩形缝隙和一个u型缝隙，u型缝隙处于金属地板中心位置，形成一个低频处的辐射零；第一矩形介质板和第二矩形介质板中间存在空气层。本发明增加了带外抑制范围，提高了通带选择性，降低了带外增益水平，可应用于无线通讯系统中。
60.本发明的效果和优点可结合仿真结果再做说明：
61.实施例12
62.一种低剖面具有宽带外抑制的滤波天线的总体构成同实施例1
‑
11，仿真条件与内容：
63.利用商业仿真软件hfss_19.0对上述实施实例的s
11
参数
‑
频率进行仿真计算，结果
如图6所示。
64.仿真结果与分析
65.图6是本发明实施例的s
11
‑
频率仿真结果图，横坐标为频率，纵坐标为s
11
，图中曲线为s
11
‑
频率仿真结果图，从图6可见，本发明的一种低剖面具有宽带外抑制的滤波天线工作在3.4
‑
3.72ghz范围，在该范围内其s
11
均小于
‑
10db，且相对工作带宽为9％，带外谐波抑制效果好。
66.实施例13
67.一种低剖面具有宽带外抑制的滤波天线的总体构成同实施例1
‑
11，
68.仿真条件与内容：利用商业仿真软件hfss_19.0对上述实施实例的增益
‑
频率进行仿真计算，结果如图7所示。
69.仿真结果与分析：图7是本发明实施例的增益
‑
频率仿真结果图，横坐标为频率，纵坐标为增益，图中曲线为增益
‑
频率仿真结果图，从图7可见，本发明的一种低剖面具有宽带外抑制的滤波天线的增益平均值约为7dbi，增益带外抑制到
‑
10db以下的范围达到8.4ghz，为2.36倍频，带外增益抑制范围很宽。
70.实施例14
71.一种低剖面具有宽带外抑制的滤波天线的总体构成同实施例1
‑
11，
72.仿真条件与内容：利用商业仿真软件hfss_19.0对上述实施实例的辐射效率
‑
频率进行仿真计算，结果如图8所示。
73.仿真结果与分析：图8是本发明的辐射效率
‑
频率仿真结果图，横坐标为频率，纵坐标为辐射效率，图中曲线为辐射效率
‑
频率仿真结果图，从图8可见，本发明天线在3.4
‑
3.72ghz范围内辐射效率均大于92％,实现了通带内高效率辐射。而天线阻带效率为10％,表现出良好的阻带抑制效果。
74.以上仿真结果说明，本发明的具有宽带外抑制的天线在较宽频带内具有良好的谐波抑制效果，且滤波结构的加入使得通带选择性增加。馈线基本不影响辐射，能为频带内天线辐射提供良好的馈电。
75.综上所述，本发明的一种低剖面具有宽带外抑制的滤波天线，解决了贴片滤波天线没有好的带外抑制的技术问题，包括两块按上下顺序层叠的介质基板，第一介质基板的上表面印制有矩形金属辐射贴片，矩形金属辐射贴片上蚀刻有矩形双缝结构，形成高频处的辐射零；第二介质基板的上下表面分别印制金属地板和十字交叉型金属微带馈线，金属地板上蚀刻有一通透的矩形缝隙和一个u型缝隙，u型缝隙处于金属地板中心位置，形成一个低频处的辐射零；第一和第二介质基板间存在空气层。本发明通过在上下介质基板上分设滤波结构，分别产生了高频和低频处的辐射零点，又增加了十字型馈线，增加了带外抑制范围，提高了通带选择性，降低了带外增益水平，可应用于无线通讯系统中。
76.以上描述仅是本发明的一个实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。