一种具有高共模抑制的差分滤波微带阵列天线的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有高共模抑制的差分滤波微带阵列天线，该天线主要包括三层结构：馈电网络、含有缝隙结构的地以及含H型谐振器激励的四个贴片辐射单元。本发明的核心内容在于天线使用多层结构构造，前两阶谐振器分别置于第一层和第三层，其通过第二层的缝隙进行耦合，可以达到天然的高共模抑制效果，这种缝隙耦合还可以使第二阶谐振器的两端形成天然的180度相差，使第二阶谐振器拥有巴伦的功能，与此同时第二阶谐振器设计成H型，还可以实现一分四的功分功能。在没有额外级联滤波器、增加面积的情况下，本发明具有很好的滤波特性，达到了小型化的目的。总的来说本发明具有高选择性、高共模抑制性、高增益、尺寸小等特性。
【专利说明】
一种具有高共模抑制的差分滤波微带阵列天线
技术领域
[0001]本发明涉及无线通信的技术领域，尤其是指一种具有高共模抑制的差分滤波微带阵列天线。
【背景技术】
[0002]近些年来，通信系统正朝着小型化、多功能化方向发展。天线和射频/微波滤波器作为通信中的关键器件，通常是独立设计，然后通过传输线连接，但很多时候天线和滤波器如果工作带宽不同，它们的输入阻抗往往不能完全匹配，这将影响频率特性。如果进行单独的匹配电路设计，会导致设计的复杂化，并且增加器件的尺寸。集成的滤波天线实现滤波和辐射双重功能，有利于射频前端的小型化，一定程度上可以降低通信设备的体积和成本。
[0003]差分信号传输具有很好的抗干扰特性，很多通信系统的信号传输都工作在差分状态，因此高性能的差分天线是目前的研究热点之一。
[0004]对现有技术进行调查了解，具体如下:
[0005](I)期刊:IEEE TRANSACT1NS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES，文章:AFiltering Microstrip Antenna Array，作者:Chin-Kai Lin，Shyh-Jong Chung，发表时间:2011年59卷11期。
[0006]文章中使用了四个贴片天线作为天线辐射单元，馈电网络由三个谐振器组成，馈电网络构成了滤波天线中的前两阶谐振器，而天线辐射单元构成了第三阶谐振器，最后总的构成了具有三阶滤波特性的滤波阵列天线。该天线具有良好的滤波特性以及辐射特性，但天线只能单端输入，不能工作于差分输入。
[0007](2)期刊:IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGAT1N LETTERS，文章:ADifferential Microstrip Antenna with Filtering Response，作者:Lin Li ,Gang Liu,发表时间:2016年待刊。
[0008]文章中天线工作于差分输入，同样采用贴片天线作为天线辐射单元，馈电网络构成了滤波天线中的第一阶谐振器，天线辐射单元构成了第二阶谐振器，最后总的构成了具有二阶滤波特性的差分滤波天线。该天线具有良好的滤波特性，但由于只有一个辐射单元，天线增益有待提尚。
[0009]总的来说，目前在已公开的文章以及专利中，难以看见一款工作在差分输入的滤波微带阵列天线。
【发明内容】
[0010]本发明的目的在于克服现有微带阵列天线缺乏良好滤波特性和只能单端输入的缺陷，提供一种具有高共模抑制的差分滤波微带阵列天线，该天线采用平面微带结构，具有设计加工简单、体积小、重量轻、性能优良等优点。
[0011 ]为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为:一种具有高共模抑制的差分滤波微带阵列天线，包括两块上下叠置的板状电介质基板，分别为第一基板和第二基板，所述第一基板的上表面金属箔形成有第一微带结构，所述第二基板的下表面金属箔形成有第二微带结构，该第一基板和第二基板的接触面金属箔形成为地，且在地中挖槽而形成有缝隙结构;所述第一微带结构包括一个H型谐振器和四个贴片辐射单元，所述四个贴片辐射单元分别与H型谐振器的四个端处耦合连接;所述第二微带结构包括一个谐振器和四个馈电结构，该四个馈电结构分别为第一馈电结构、第二馈电结构、第三馈电结构、第四馈电结构，该谐振器工作于半波长模式，并与第三馈电结构和第四馈电结构平行放置，四个馈电结构与谐振器能量传输通过缝隙耦合的方式实现，该第三馈电结构与第一馈电结构垂直连接，该第四馈电结构与第二馈电结构垂直连接;上述缝隙结构位于地的中央，并与第二微带结构的谐振器垂直;所述第一微带结构的H型谐振器与第二微带结构的谐振器通过缝隙耦合，该H型谐振器的上两端与下两端处形成天然的180度相差，使H型谐振器不但有功分的功能还有巴伦的功能。
[0012]所述第一微带结构的H型谐振器与第二微带结构的谐振器构成天线中的前两阶谐振器，四个贴片辐射单元构成第三阶谐振器。
[0013]所述第一馈电结构和第二馈电结构为50欧姆馈电。
[0014]所述第三馈电结构和第四馈电结构长四分之一波导波长。
[0015]所述H型谐振器的四个端处分别进行弯折，以更好地给贴片辐射单元馈电。
[0016]本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果:
[0017]1、普通微带阵列天线往往需要额外级联滤波器以获得良好的滤波特性，而本微带阵列天线具有固有的很好的滤波特性，无需添加额外电路，进而减少射频前端的尺寸。
[0018]2、本微带阵列天线工作于差分输入，具有优异的共模抑制特性，天线整体同时具有差分输入、优异滤波以及高增益等特性。
[0019]3、本微带阵列天线易于加工制造，成本低，平面结构易于集成，适用于多种通信系统中。
【附图说明】
[0020]图1是本发明天线的竖截面剖视图。
[0021 ]图2是本发明天线的第一层结构示意图。
[0022]图3是本发明天线的第二层结构示意图。
[0023]图4是本发明天线的第三层结构示意图。
[0024]图5是本发明天线的总体结构示意图。
[0025]图6是本发明天线的S参数以及边射方向增益仿真结果。
[0026]图7是本发明天线在中心频率处H面主极化方向图仿真结果。
[0027]图8是本发明天线在中心频率处E面方向图仿真结果。
【具体实施方式】
[0028]下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0029]本发明的差分滤波微带阵列天线整体制作在多层覆铜的介质基板上，使用机械刻制、激光刻制、电路板腐蚀等技术均可容易地制作。本发明的核心内容在于天线使用多层结构构造，前两阶谐振器分别置于第一层和第三层，其通过第二层的缝隙进行耦合，可以达到天然的高共模抑制效果，这种缝隙耦合还可以使第二阶谐振器的两端形成天然的180度相差，使第二阶谐振器拥有巴伦的功能，与此同时第二阶谐振器设计成H型，还可以实现一分四的功分功能。
[0030]本发明的差分滤波微带阵列天线以印刷电路板的方式制作在两块介电常数为2.55，厚度为0.8mm的聚四氟乙烯双面覆铜微带板上，结构如图1、2、3、4、5所示，最后使两块板贴合在一起以实现三层电路的功能。
[0031]如图1至图5所示，本发明的差分滤波微带阵列天线主要包括两块上下叠置的板状电介质基板，分别为第一基板11和第二基板10，所述第一基板11的上表面金属箔形成有第一微带结构15，所述第二基板10的下表面金属箔形成有第二微带结构12，该第一基板11和第二基板10的接触面金属箔形成为地13，且在地13中挖槽而形成有缝隙结构14;所述第一微带结构15包括一个H型谐振器151和四个贴片辐射单元152、153、154、155，所述四个贴片辐射单元152、153、154、155分别与H型谐振器151的四个端处耦合连接，该H型谐振器151的四个端处进行了弯折是为了更好地给贴片辐射单元馈电，通过适当地调节H型谐振器151的长度以及宽度，使其工作在谐振状态;所述第二微带结构12包括一个谐振器125和四个馈电结构，该四个馈电结构分别为第一馈电结构121、第二馈电结构122、第三馈电结构123、第四馈电结构124，该谐振器125工作于半波长模式，并与第三馈电结构123和第四馈电结构124平行放置，四个馈电结构与谐振器125能量传输通过缝隙耦合的方式实现，所述第一馈电结构121和第二馈电结构122为50欧姆馈电，所述第三馈电结构123和第四馈电结构124长约四分之一波导波长，该第三馈电结构123与第一馈电结构121垂直连接，该第四馈电结构124与第二馈电结构122垂直连接;上述缝隙结构14位于地13的中央，并与第二微带结构12的谐振器125垂直，其整体大小通过仿真优化决定；由于所述第一微带结构15的H型谐振器151与第二微带结构12的谐振器125通过缝隙耦合，该H型谐振器151的上两端与下两端处形成天然的180度相差，使H型谐振器151不但有功分的功能还有巴伦的功能，同时，当天线共模激励时，该第二微带结构12的谐振器125中间横截面处形成一个虚拟磁壁，电场无法通过，因此能量无法通过缝隙结构14耦合到H型谐振器151，使天线具有天然的高共模抑制特性;所述第一微带结构15的H型谐振器151与第二微带结构12的谐振器125构成了天线中的前两阶谐振器，四个贴片辐射单元152、153、154、155构成了第三阶谐振器，因此本发明的差分滤波微带阵列天线具有三阶滤波特性。
[0032]整个差分滤波微带阵列天线发射信号的工作方式是电磁差分信号从第一馈电结构121和第二馈电结构122馈电处输入，能量耦合到谐振器125，接着由谐振器125通过缝隙结构14耦合到H型谐振器151，H型谐振器151再耦合到四个贴片辐射单元152、153、154、155，最后经由贴片辐射单元辐射出去，接收信号的方式则相反。
[0033]图6是本实施例天线的ISllI和边射方向增益仿真结果，Sllcc表示共模激励的Sll参数，SI Idd表不差模激励下的SI I参数。由图可见，SI ICC基本为零，意味着共模激励的信号基本全反射，天线具有优异的共模抑制特性。该天线差模激励状态下1dB反射损耗范围为3.44GHz到3.56GHz，相对带宽为3.4%。天线增益通带十分平缓，由于采用阵列的形式，中心频率处(3.5GHz)增益为9.2dBi，大大高于普通非阵列微带天线。同时，不管是SIIdd参数曲线还是增益曲线，通带和阻带的过渡带都十分陡峭，天线具有非常高的选择性。
[0034]图7和图8分别是本实施例天线的中心频率处H面主极化方向图仿真结果以及E面方向图仿真结果。H面交叉极化小于-80dB，因此H面方向图只给出了主极化。由图可见，天线H面主极化-3dB主瓣宽度约为50度，前后比约为HdB13E面交叉极化小于-33dB，主极化-3dB主瓣宽度同样约为50度，前后比约为17dB。可见，天线具有良好的方向图辐射特性。
[0035]以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。
【主权项】
1.一种具有高共模抑制的差分滤波微带阵列天线，其特征在于:包括两块上下叠置的板状电介质基板，分别为第一基板和第二基板，所述第一基板的上表面金属箔形成有第一微带结构，所述第二基板的下表面金属箔形成有第二微带结构，该第一基板和第二基板的接触面金属箔形成为地，且在地中挖槽而形成有缝隙结构;所述第一微带结构包括一个H型谐振器和四个贴片辐射单元，所述四个贴片辐射单元分别与H型谐振器的四个端处耦合连接;所述第二微带结构包括一个谐振器和四个馈电结构，该四个馈电结构分别为第一馈电结构、第二馈电结构、第三馈电结构、第四馈电结构，该谐振器工作于半波长模式，并与第三馈电结构和第四馈电结构平行放置，四个馈电结构与谐振器能量传输通过缝隙耦合的方式实现，该第三馈电结构与第一馈电结构垂直连接，该第四馈电结构与第二馈电结构垂直连接;上述缝隙结构位于地的中央，并与第二微带结构的谐振器垂直;所述第一微带结构的H型谐振器与第二微带结构的谐振器通过缝隙耦合，该H型谐振器的上两端与下两端处形成天然的180度相差，使H型谐振器不但有功分的功能还有巴伦的功能。2.根据权利要求1所述的一种具有高共模抑制的差分滤波微带阵列天线，其特征在于:所述第一微带结构的H型谐振器与第二微带结构的谐振器构成天线中的前两阶谐振器，四个贴片辐射单元构成第三阶谐振器。3.根据权利要求1所述的一种具有高共模抑制的差分滤波微带阵列天线，其特征在于:所述第一馈电结构和第二馈电结构为50欧姆馈电。4.根据权利要求1所述的一种具有高共模抑制的差分滤波微带阵列天线，其特征在于:所述第三馈电结构和第四馈电结构长四分之一波导波长。5.根据权利要求1所述的一种具有高共模抑制的差分滤波微带阵列天线，其特征在于:所述H型谐振器的四个端处分别进行弯折，以更好地给贴片辐射单元馈电。
【文档编号】H01Q1/38GK105870619SQ201610333733
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月19日
【发明人】陈付昌, 胡豪涛
【申请人】华南理工大学