一种低剖面宽带高增益滤波天线的制作方法

本发明涉及无线通信天线领域，特别涉及一种低剖面宽带高增益滤波天线。

背景技术：

无线通信系统中，多功能电路模块以其尺寸小、整体性能好的优势受到广泛关注。天线和滤波器是射频前端两个不可或缺的元件。通常，天线和滤波器是作为两个元件进行独立设计，然后将它们分别匹配到50 W 标准端口，再将二者级联。如此以来，使得整个模块尺寸增加，这对于空间有限的射频前端是不利的。又由于滤波器和天线的带宽往往不是完全一致的，导致滤波效果受到影响。为了克服这些问题，滤波器和天线集成为一个模块被提出。

现在大多数滤波器和天线的集成方案选择协同设计，在这种方案中天线和滤波器直接连接，不用再分别匹配到50 W 标准端口。协同设计减小了模块尺寸，避免了匹配到标准端口引起的损耗。虽然滤波器和天线的协同设计在一定程度上改善了模块性能，但是由于滤波器的损耗不可避免，特别是对于宽带设计，需要多阶谐振器时，往往导致损耗更严重，天线增益也相对较低。

现阶段很少有天线设计能够具有较好的滤波效果和谐波抑制功能又不使用复杂的滤波电路。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种低剖面宽带高增益滤波天线。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

一种低剖面宽带高增益滤波天线，其包括辐射体、上层介质基板、下层介质基板、带有开路枝节的馈电微带线、带有多段间隔缝隙的地板和金属化过孔；所述辐射体位于所述上层介质基板上表面，所述馈电微带线位于所述下层介质基板下表面，所述地板位于上层介质基板和下层介质基板之间；所述辐射体产生谐振，提供宽带和高增益的辐射通带，同时，调整辐射体尺寸可以调节通带上边缘的滚降度；所述开路枝节产生辐射零点，可抑制天线的高频谐振；所述间隔缝隙抑制天线的低频谐振；所述金属化过孔连接所述馈电微带线和地板，产生辐射零点，提高通带下边沿的滚降度。

进一步地，所述间隔缝隙是多段缝隙在地板上以短边靠近的方式排列，缝隙的段数可以是一段、两段或多段。

进一步地，所述缝隙的形状是矩形、蝶形、椭圆或其等效变形。

进一步地，所述金属化过孔是实心或空心，可以是一个或多个；所述辐射体是金属贴片或介质块。

进一步地，所述辐射体是一个单元或是多个单元组成的阵列结构。

进一步地，所述辐射体是多个单元时，单元尺寸可以相同也可以不同。

进一步地，所述辐射体是多个单元时，以与馈电微带线长度方向平行的方向为y轴方向，辐射体在y轴方向上包括三个以上的单元，其中位于外侧的单元（1b）比位于内侧的单元（1a）在y轴方向上尺寸大。

进一步地，所述辐射体的单元采用金属贴片时，形状是长方形、圆形、椭圆形、环状或者其等效变形，所述辐射体采用介质块时，形状可以是长方体、圆柱、半圆柱或其等效变形。

进一步地，所述开路枝节从所述馈电微带线上伸出，所述开路枝节为对称分布在馈电微带线两侧的一对或多对枝节，多对枝节间隔分布，各对枝节的始端和末端之间的长度不同，枝节的长度l_p满足l_g/5<l_p<l_g/3，l_g表示枝节产生的辐射零点的频率对应的波导波长。

进一步地，所述开路枝节的形状是矩形、T形、蝶形或其等效变形。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.该滤波天线的设计中可以采用多种类型的辐射体，例如，辐射体采用一个介质单元时天线的10dB阻抗带宽达到61%，平均增益8.7dBi，带外抑制超过23dB，改变天线尺寸可以获得不同带宽（16%-61%），同时保持比较好的滤波效果；辐射体采用多个单元的金属贴片时，10dB阻抗带宽可以达到28.4%, 平均增益8.2dBi，带外抑制超过22dB；

2.通过对缝隙的更改，消除低频谐振，引入金属化过孔和开路枝节产生辐射零点（辐射体是多个单元时，不均匀单元的组合提高通带上边缘的滚降度），将滤波效果融合到天线设计中，同时未引入复杂的滤波电路，天线损耗低，效率高；

3.所述滤波天线具有低剖面、宽频带、高增益的特点,同时具有宽阻带，可以实现谐波抑制，天线结构简单、易于加工和装配。

附图说明

图1是本发明实施例1的侧视图；

图2是本发明实施例1的地板的俯视图；

图3是本发明实施例1的馈电电路的仰视图；

图4是本发明实施例1的反射系数的仿真和测试曲线图；

图5是本发明实施例1在正上方的增益仿真和测试曲线图；

图6是本发明实施例1 在6.06GHz的归一化辐射方向图；

图7是本发明实施例1实现宽带和窄带的反射系数曲线图；

图8 是本发明实施例1实现宽带和窄带的正上方增益的曲线图；

图9是本发明实施例2的侧视图；

图10是本发明实施例2的辐射体的俯视图；

图11是本发明实施例2的地板的俯视图；

图12是本发明实施例2的馈电电路的仰视图；

图13是本发明实施例2的反射系数的仿真和测试曲线图；

图14是本发明实施例2在正上方的增益仿真和测试曲线图；

图15是本发明实施例2 在5GHz的归一化辐射方向图。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明的具体实施作进一步说明。

实施例1：参阅图1-图3，本发明的一种低剖面宽带高增益滤波天线包括辐射体1、支撑辐射体的上层介质基板2、下层介质基板4，两层介质基板之间的地板3，下层介质基板下表面的馈电微带线5、连接馈电微带线和地板的金属化过孔6、地板上的间隔缝隙7和馈电微带线上伸出的开路枝节（8a, 8b）。本实施例中辐射体采用一个单元，该单元采用介质材料，即一个高度为1.8mm半径23.5mm介电常数15的圆柱形介质块；上层介质基板2也采用圆柱形，减小上层介质基板2的尺寸调节匹配；圆柱形介质块辐射体位于圆柱形上层介质基板中央；参阅图2-图3， 本实施例采用微带线耦合缝隙馈电，所述地板3的中央有两段间隔缝隙7，缝隙间距可调节，抑制低频谐振，两部分缝隙总长度大约为工作频率处的半个波长，缝隙长度受两层介质基板的介电常数的影响，调整缝隙长度优化阻抗匹配，缝隙采用阶梯状结构为了获得更好的阻抗匹配。参阅图3，所述微带线5和地板3间有一金属化过孔6，产生辐射零点，调整所述金属化过孔的位置可以调整辐射零点的频率，提高通带下边沿的滚降度。所述开路枝节（8a，8b）从所述馈电微带线两侧伸出，关于馈电微带线对称的开路枝节避免了交叉极化的增加，本实施例中采用了两对开路枝节8a和8b，每个枝节长度分别为4.95mm和3.5mm，开路枝节8a在通带上边缘产生辐射零点，提高通带上边缘的滚降度；开路枝节8b产生辐射零点抑制谐波，开路枝节的长度约为其产生的辐射零点的频率对应微带线的1/4波长，开路枝节的具体长度也受到其位置的影响，因此，枝节的长度l_p满足l_g/5<l_p<l_g/3，l_g表示枝节产生的辐射零点的频率对应的波导波长。

参阅图4，本实施例在实现宽带滤波天线时反射系数的仿真和测试曲线，测试的10dB阻抗带宽61.4%（4.22-7.96GHz），同时，阻带很宽，实现了二次谐波抑制；参阅图5，本实施例的天线正上方增益仿真和测试曲线，平均增益达到8.73dBi，并且在通带边沿有很高的滚降度，带外抑制超过23dB。参阅图6，本实施例中心频率处的归一化方向图，最大辐射方向在辐射体的正上方，交叉极化低，本实施例的整个通带内最大辐射方向保持在正上方，方向图比较稳定，高频处E面旁瓣稍有增加。参阅图7-8，本实施例实现窄带（10dB阻抗带宽16%）和宽带（10dB阻抗带宽61.4%）两种情况的反射系数和增益的曲线图，调节天线尺寸可以控制带宽，在窄带情况下依然可以保持较好的滤波效果。

实施例2：参阅图9-图12，本发明的一种低剖面宽带高增益滤波天线包括辐射体1、支撑辐射体的上层介质基板2、下层介质基板4，两层介质基板之间的地板3，下层介质基板下表面的馈电微带线5、连接馈电微带线和地板的金属化过孔6、地板上的间隔缝隙7和馈电微带线上伸出开路枝节8。参阅图10，本实施例中所述辐射体采用多个单元，各个单元是蚀刻于上层介质基板2上的金属贴片（1a，1b），辐射体的单元尺寸不一致，外侧单元1b比内侧单元1a在y轴方向上尺寸大，外侧单元1b和内侧单元1a在y轴方向的长度分别为13.6mm和9.7mm，调节单元尺寸的组合可以调节通带上边缘的滚降度；本实施例采用4×4 单元，单元总长大约l_c中心频率对应微带线的波长，单元尺寸及间距可以调节谐振频率，进而控制带宽。单元形状也有较大的自由度，本实施例采用最简单的长方形。

参阅图11-图12，本实施例中地板(3)、馈电微带线5、金属化过孔6和地板上的间隔缝隙7的结构和实施例1中的结构类似，不同之处参阅图12，本实施例中只采用了一对开路枝节8用以抑制高频谐振，每个枝节长度5.4mm；通带上边缘的滚降度由辐射体的单元来控制也可以像实施例1一样使用多对开路枝节来实现通带上边缘的滤波和谐波抑制。

参阅图13，本实施例仿真与测试的|S₁₁| 参数，测试的10 dB阻抗带宽是28.4%，阻带|S₁₁| 接近于0，能抑制二次谐波。图14是本实施例仿真与测试的增益曲线，测试的通带内平均增益8.2dBi，并且在通带边沿有很高的滚降度，带外抑制超过22dB，带内效率高达95%。参阅图15，本实施例的中心频率 5 GHz 处的归一化方向图，最大辐射方向在辐射体的正上方，主极化比交叉极化大25 dB 以上，整个通带内方向图比较稳定。

以上实施例仅为本发明的两种设计方式，仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，凡在本发明的精神和原理范围之内，所作的任何修改、等同替换、简化、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围当中。