专利名称：一体式微带天线滤波器耦合结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及微带天线，特别涉及微带天线辐射单元与滤波器的耦合结构。
背景技术：
现代微波系统的设计受到性能、重量、尺寸和制作成本等限制，并且针对系统中的单一 电路都有具体的指标和要求。在传统电路设计过程中，对于两个不同的子电路，如带有滤波 器的微带天线的辐射单元(天线)和滤波器，通过在两个子电路的输入输出端规定相同的输 入输出阻抗(50Q或75Q)，实现阻抗匹配，最终将两个子电路连接。如果天线和滤波器的 输入输出端口不能实现良好的阻抗匹配，输入输出端口将产生较大的插入损耗，从而影响系 统的性能。为了达到输入输出端口的阻抗匹配，通常在两个子电路间加上匹配网络。但这增 加了整个系统设计的复杂度，同时增加了系统的重量、体积和整体损耗。同时，将两个子电 路分开设计，然后进行连接，这也忽视了两个电路之间的耦合问题。另一方面，天线与滤波 器连接的馈线，在微波技术邻域称之为传输线，有时需要考虑其传输路径长度，如达到天线 工作频率波长的1/4，对于10GHz频率以下的微波，仅传输线的长度就会大于7.5mm，这不利 于系统的小型化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是提供一种一体式微带天线滤波器耦合结构，不需要专 门匹配网络进行天线与滤波器的耦合连接，并能够在有限空间内达到规定的传输线长度。
本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是， 一体式微带天线滤波器耦合结构，包括 附着在介质衬底上的辐射单元、滤波器和馈线，所述辐射单元通过馈线与滤波器连接，所述 馈线为曲折线。
本发明的有益效果是，微带天线中辐射单元与滤波器通过微带馈线直接耦合，不需要专 门的耦合匹配网络；辐射单元与滤波器的联合设计，更加符合微波系统的设计理念；采用曲 折迂回的微带馈线能够在有限的空间达到需要的馈线长度和设计参数，能够减小系统体积， 具有结构紧凑，插入损耗低的特点。
图1是现有技术微带天线示意图； 图2是图1的仰视图；图3是图1的后视图； 图4是实施例1的示意图； 图5是实施例1的天线系统S11曲线图； 图6是矩形螺旋线的S11和S21曲线图7是实施例2的示意图
图8是圆形螺旋线S 11和S21曲线图9是实施例3馈线的示意图10是实施例3与现有技术的S11和S21比较图11是实施例4馈线的示意图12是实施例4的S11和S21曲线图。
具体实施例方式
本发明在天线与滤波器连接处不要求天线和滤波器满足50 Q或75 Q阻抗匹配，通过优化 算法调整辐射单元到滤波器的传输距离，配合调整该距离内馈电线的宽度，使连接处反射最 小，本发明同时解决了天线与滤波器之间的耦合问题。天线与滤波器的馈线采用曲折微带线 和/或平面螺旋微带线，能够在通讯系统有限空间内方便地调整其长度，使用微带天线系统 既可以满足设计参数要求，还可以减少系统占据的空间。
本发明的技术方案是， 一体式微带天线滤波器耦合结构，包括附着在介质衬底上的辐射 单元、滤波器和馈线，所述辐射单元通过馈线与滤波器连接，所述馈线为曲折线；
进一步的，所述曲折线为等间距曲折线；
或，所述曲折线为间距渐变曲折线；
进一步的，所述曲折线为平面螺旋线；
具体的，所述平面螺旋线为矩形螺旋线；
或，所述平面螺旋线为圆形螺旋线；
特别的，所述曲折线为入/4传输线，所述入为微带天线中心频率对应的波长； 更进一步的，所述介质衬底背面与滤波器和馈线对应处覆盖有接地面。 图l、图2、图3示出了现有技术的微带天线示意图。图中微带天线包括介质衬底42，该 介质衬底42采用的是FR4型介质材料，相对介电常数约为4.32。介质衬底42的一面附着的" 十"字型金属薄片(或涂覆层，下同)为辐射单元41，辐射单元41通过长度为L3宽度为W2厚 度为t的微带馈线(传输线)，与环形滤波器40的l/4波长耦合边45连接，环形滤波器40的另 一条1/4波长耦合边45通过宽度为W1的微带馈线46与微波系统其他电路连接。图l中金属薄片构成的环形框为谐振器44。从图2和图3中可以看出，介质衬底42另一面附着的金属薄片接地 面43仅存在于微带馈线和滤波器的背面，辐射单元背面无接地面。上述滤波器40的有关结构 参类女请参见Mohd Khairul Mohd Salleh， Ga tan Prigent， Olivier Pigaglio禾服aymond Crampagne在《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》上发表的题目 为《Quarter-Wavelength Side-Coupled Ring Resonator for Bandpass Filters》的文章
以下对微带传输线进行理论分析。
假设微带线宽度为w，介质衬底介电常数为e ，厚度为t，微带线背面有金属接地板。由 于场存在于空气和介质中，因此微带线中传输的是准TEM波。微带线传输特性可通过有效介
电常数e re和特征阻抗Zc来描述。
其中Cd为介质层存在时单位长度电容，Ca是介质层为空气代替时单位长度电容，C为光
速。Hammerstad and Jensen ( "Accurate models for microstrip computer—aided
design, " IEEE MTT-S， 1980， Digest, pp. 407-409.)给出较为准确的表达式
1 + 二| (3)
^ = ^——+丄
其中
49
"4 +
「二)
、^
2 、
"4 + 0.432
\ 乂
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18.7
In
「丄f<formula>formula see original document page 6</formula>
当《Sl28， 0.01S〃S100时，精度高于0.2%
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(4)
其中〃二盯乂， 〃二120;r欧姆
F二 6 + (2;r —6)exp
30'666
当〃^1时，；^7精度优于0.01% 当"51000时，；i优于0.03% 。
当直线微带线的宽度、长度、厚度分别为w， l， t，该导线所拥有的电感量为
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Kg为考虑到金属接地板影响的修正因子，当地板靠近时，该值变小，同时电感值变小。 螺旋型微带线可等效为电感，可将螺旋型微带线分成n个部分，对于矩形螺旋线，每部 分为直线，对于圆形螺旋，每部分看着一个圆圈。
对于圆形螺旋线，第i个单元与第.i个圆形单元之间的互感用以下Neuma皿公式求解
<formula>formula see original document page 6</formula>^ (6)
具体为
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(7)
其中、=杨/("+》)2， " = +("0.5)("，+力，》=W —0.5)("，+力'
ri为圆形电感的内径，s是每圈之间的槽宽度(间距)，w为微带线宽。 对于矩形螺旋，两个微带线宽w，长度为l，厚度为零的基本单元之间的互感
M二
4;r
"〃
(8)
广i 、
其中F(</) = </2wsinh — +^77'sinh(</) + i —— (1 + <^)。
、<7 J 3 3
A/m 。
同时我们必须考虑原线圈与对金属接地板的镜像线圈之间的互感 ^对于圆形螺旋线
、、
V 乂
(9)
其中~=4^/(4/ + (>7+^)2')， a， b同上。上述各式中，
JT/2
(1-P sin2 — 丑(>)=|(1-Psi") #
(10)
11
因此，可得螺旋型微带线总电感为
n n—ln n n
]■=1 ]=1」=]+1 !=1戶l
(12)
实施例l
本例微带天线系统的结构示意图如图4所示。包括介质衬底42、辐射单元41、由环形谐 振器44和两条四分之一波长谐振器45构成的滤波器以及空间长度为L3的馈线。本例中介质衬 底42的接地面只存在于滤波器和馈线背面，辐射单元41背面无接地面。滤波器的馈电微带线 46，同时也是微带天线系统的馈线。本例在现有微带天线的微带馈线的空间长度L3内，采用 曲折线，即这里的矩形螺旋线48，加上微带滤波器，在未使天线系统体积增加的情况下，实 现了天线与滤波器的耦合。滤波器的微带馈线46的参数，满足50Q输入匹配。根据微带传输 线理论，通过调整矩形螺旋线48的宽度w、厚度t、间距s等数据，可以改变微带馈线的参数。这里可以不满足50欧姆阻抗匹配要求。利用PSO算法(粒子群优化算法)或GA算法(遗传 算法)调用电磁仿真软件IE3D，以馈电端A的反射系数S11为适应值函数，对结构进行优化， 使Sll至少小于-10dB，保证联合后的天线性能。图5为本例微带天线系统S11与频率的关系， 该微带天线工作频段为2. 45GHz-2. 55GHz，在该频段内反射系数Sll低于-10dB。该结构通过 滤波器控制了天线的工作频段，同时考虑了天线与滤波器之间的耦合，在不增加天线尺寸的 情况下实现了天线与滤波器的耦合。
图6示出了矩形螺旋线的反射系数S11和传输系数S12与频率的关系曲线，这种传输线可 在lGHz-4GHz和0-3GHz范围内传输信号。由于采用螺旋结构，实现四分之一波长的传输线长 度时占用较小面积，可用于天线与滤波器的联合设计中，减少微带天线系统的体积。
实施例2
本例微带馈线为圆形螺旋线，如图7所示。圆形螺旋线微带馈线的参数调整，也可以通 过改变螺旋线宽度、间距、圈数、螺旋线半径等实现。本例馈线传输系数S21和反射系数 S11与频率的关系参见图8，可以看出，圆形螺旋线微带馈线的反射系数S 1 l稍优于矩形螺旋 线微带馈线，特别是在2 2. 5GHz频率范围比较明显。
实施例3
图9示出了等间距曲折线的结构，通过调整间距、折弯次数，线宽等，可以在空间长度 L3范围内达到要求的参数。图10给出直线微带线和等间距曲折线微带线的传输系数S21和反 射系数S11比较图，可以看出两种微带线在0-lOGHz范围内可以保持较少损耗传输信号。与直 线微带线相比，曲折形微带线能在更短的空间长度内实现四分之一波长的传输线长度。在天 线与滤波器联合设计中采用等间距曲折微带线将更节省空间。
实施例4
如图11所示，为间距渐变曲折微带传输线的结构示意图，图12示出了传输系数S21和反 射系数S11与频率的关系。该类型传输线在0-9GHz范围内传输信号产生较少损耗，由于微带 线间距逐渐变小，使得该传输线能在较短空间长度内实现四分之一波长的传输线长度。在天 线与滤波器联合设计中，采用等间距曲折微带线将天线与滤波器连接将更节省空间。
本发明的天线系统中，天线(辐射单元)与滤波器可以采用各种结构，特别是天线结构 种类繁多，采用本发明的耦合结构，可以实现天线与滤波器的耦合，进行行联合设计。本发 明的微带天线系统，既可以作为接收天线，也可以作为发射天线，可以通过选择合适的滤波 器结构，对系统的工作频率进行限定。
权利要求
1.一体式微带天线滤波器耦合结构，包括附着在介质衬底上的辐射单元、滤波器和馈线，所述辐射单元通过馈线与滤波器连接，其特征在于，所述馈线为曲折线。
2.根据权利要求l所述的一体式微带天线滤波器耦合结构，其特征在 于，所述曲折线为等间距曲折线。
3.根据权利要求l所述的一体式微带天线滤波器耦合结构，其特征在 于，所述曲折线为间距渐变曲折线。
4.根据权利要求l所述的一体式微带天线滤波器耦合结构，其特征在 于，所述曲折线为平面螺旋线。
5.根据权利要求4所述的一体式微带天线滤波器耦合结构，其特征在 于，所述平面螺旋线为矩形螺旋线。
6.根据权利要求4所述的一体式微带天线滤波器耦合结构，其特征在 于，所述平面螺旋线为圆形螺旋线。
7.根据权利要求1 6任意一项所述的一体式微带天线滤波器耦合结 构，其特征在于，所述曲折线为入/4传输线，所述入为辐射单元中心频率对应的波长。
8.根据权利要求7所述的一体式微带天线滤波器耦合结构，其特征在 于，所述介质衬底背面与滤波器和馈线对应处覆盖有接地面。
全文摘要
本发明涉及微带天线，特别涉及微带天线辐射单元与滤波器的耦合结构。本发明公开了一种一体式微带天线滤波器耦合结构，不需要专门匹配网络进行天线与滤波器的耦合连接，并能够在有限空间内达到规定的传输线长度。本发明的技术方案是，一体式微带天线滤波器耦合结构，包括附着在介质衬底上的辐射单元、滤波器和馈线，所述辐射单元通过馈线与滤波器连接，所述馈线为曲折线。本发明用于微带天线系统，进行辐射单元与滤波器的直接耦合，不需要专门的耦合匹配网络，采用曲折迂回的微带馈线能够在有限的空间达到需要的馈线长度和设计参数，能够减小系统体积。具有结构紧凑，插入损耗低的特点。
文档编号H01Q13/08GK101320826SQ200810302760
公开日2008年12月10日 申请日期2008年7月16日 优先权日2008年7月16日
发明者任凌云, 讯 罗, 旭 陈, 马建国 申请人:电子科技大学