基于微带-槽线形式的宽带滤波天线的制作方法

本发明属于微波通信无源器件领域，具体涉及一种微带-槽线形式的宽带滤波天线。

背景技术：

随着无线通讯的持续发展，在日渐复杂的电磁环境下，通讯器件的要求越来越高，单频带通讯器件正朝着小型化、频带宽、加工简便等方向发展。近年来，宽带滤波天线的发展也受到了学者的广泛关注。在传统的滤波天线设计中，设计者往往注重于滤波器与天线两个器件本身的设计，使得二者在系统中级联后达不到良好的阻抗匹配，并且电路尺寸过大。

2011年，chao-tangchuang与shyh-jongchung在ieeetransactiononantennasandpropagation上发表了“synthesisanddesignofanewprintedfilteringantenna”，他们提出了一种倒l型滤波天线，以较小的尺寸使得滤波天线在通带内增益平坦，并且有良好的带外抑制能力以及边缘选择性，但是整个天线的阻抗匹配较为复杂并且会有比较大的反射系数。

2016年，p.f.hu，y.m.pan，x.y.zhang，ands.y.zheng在ieeetransactiononantennasandpropagation上发表“acompactfilteringdielectricresonatorantennawithwidebandwidthandhighgain”，这篇文章介绍了一种他们所设计的矩形介质谐振器滤波天线，整个天线的尺寸很小，但是天线的带宽较小，只有20.3％。

由此可见，现有的滤波天线在做到小型化的同时没有达到结构简单以及宽频带的要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于微带-槽线形式的滤波天线，具有频带宽、结构简单、选择性良好等优点。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于微带-槽线形式的宽带滤波天线，包括输入端微带线、第一f型槽线谐振器、第二f型槽线谐振器、终端开路谐振器、第一辐射单元、第二辐射单元、引向器和介质基板；

其中，输入端微带线与终端开路谐振器位于介质基板的上表面，介质基板底层设置有接地板，第一f型槽线谐振器与第二f型槽线谐振器刻蚀于接地板上；第一辐射单元、第二辐射单元以及引向器与介质基板底层位于同一平面，且第一辐射单元和第二辐射单元分别与介质基板的底层接地板相连；第一f型槽线谐振器的竖直臂以及第二f型槽线谐振器的竖直臂均平行于介质基板的长边，输入端微带线位于第一f型槽线谐振器上方，输入端口置于介质基板长边上，终端开路谐振器位于第二f型槽线谐振器上方。

本发明与现有的滤波天线技术相比，具有以下优点：(1)频带宽：利用刻蚀于金属接地板的第一f型槽线谐振器以及第二f型槽线谐振器的独特结构，使得滤波天线拥有多种谐振模式，通带内更是有3个谐振点，同时由于槽线本身所特有的宽带响应，使得系统最终的宽带达到了41.4％，实现了宽带的滤波天线；(2)结构简单：本发明只需在电路板正反两面进行刻蚀就可以完成整个结构，相比于多层介质以及复杂的阻抗匹配，本发明更加利于加工制造；(3)选择性好：通过引入终端开路谐振器的方式，使得原本已经拥有滤波特性的滤波天线在带外增添了零点，故而拥有了更好的边缘选择性。

附图说明

图1是本发明的宽带滤波天线立体结构图。

图2是图1的俯视图。

图3是图1的仰视图。

图4是实施例的尺寸标示图。

图5是实施例的尺寸标示图。

图6为实施例所对应的s参数仿真图。

图7为实施例所对应的增益仿真图。

图8为实施例在5.59ghz对应的e面辐射方向图。

图9为实施例在5.59ghz对应的h面辐射方向图。

图10为实施例在6.61ghz对应的e面辐射方向图。

图11为实施例在6.61ghz对应的h面辐射方向图。

图12为实施例在7.8ghz对应的e面辐射方向图。

图13为实施例在7.8ghz对应的h面辐射方向图。

具体实施方式

结合图1、图2，一种基于微带-槽线形式的宽带滤波天线，包括输入端微带线1、第一f型槽线谐振器2、第二f型槽线谐振器3、终端开路谐振器4、第一辐射单元5、第二辐射单元6、引向器7和介质基板8；

其中，输入端微带线1与终端开路谐振器4位于介质基板8的上表面，第一f型槽线谐振器2与第二f型槽线谐振器3刻蚀于和介质基板8底层相连的接地板上；第一辐射单元5、第二辐射单元6以及引向器7与介质基板8底层位于同一平面，且第一辐射单元5和第二辐射单元6分别与介质基板8的底层接地板相连；第一f型槽线谐振器的竖直臂21以及第二f型槽线谐振器的竖直臂31均平行于介质基板8的长边，输入端微带线1位于第一f型槽线谐振器2上方，输入端口置于介质基板8的左侧长边上，终端开路谐振器4位于第二f型槽线谐振器3上方，且输入端微带线1与终端开路谐振器4均位于介质基板8的顶层。

所述输入端微带线1包括一个特征阻抗为50ω的微带传输线11以及一段终端开路的低阻抗传输线12；其中，特征阻抗为50ω的微带传输线11始于介质基板8的左侧长边，其末端与终端开路的低阻抗传输线12相连。

所述第一f型槽线谐振器的竖直臂21在介质基板8顶层的投影重合于50ω微带传输线11与终端开路的低阻抗传输线12的交线，并以此实现微带-槽线的耦合结构。

所述第一f型槽线谐振器2与第二f型槽线谐振器3通过第一f型槽线谐振器的长水平臂23和第二f型槽线谐振器的长水平臂33形成耦合结构，第一f型槽线谐振器的短水平臂22和第二f型槽线谐振器的短水平臂32与介质基板8的窄边平行，且第二f型槽线谐振器的竖直臂31通过渐变的第一辐射单元的阻抗匹配端51和第二辐射单元的阻抗匹配端61的形式分别与天线的第一辐射单元5和第二辐射单元6相连。

所述第一辐射单元5、第二辐射单元6与引向器7关于第二f型槽线谐振器的竖直臂31呈轴对称分布，引向器7位于介质基板8远离输入端微带线1的窄边一端，引向器7与介质基板8窄边平行。

第一辐射单元5包括第一阻抗匹配端51和第一辐射臂52，第二辐射单元6包括第二阻抗匹配端61和第二辐射臂62，第一阻抗匹配端51、第一辐射臂52、第二阻抗匹配端61和第二辐射臂62均采用阻抗渐变的结构。

所述终端开路谐振器4在介质基板8底层的投影位于第二f型槽线谐振器的短水平臂32和第二f型槽线谐振器的长水平臂33之间，且关于第二f型槽线谐振器的竖直臂31呈轴对称分布，终端开路谐振器4的总长度等于设定的带外零点频率所对应的半波长。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例

如图1所示，一种基于微带-槽线形式的滤波天线，包括贴覆于介质基板8上表面的输入端微带线1与终端开路谐振器4，在所述介质基板8的底层接地板上刻蚀有第一f型槽线谐振器2和第二f型槽线谐振器3，还包括与介质基板8下表面的金属接地板相连的天线的第一辐射单元5、第二辐射单元6和引向器7。

所述输入端微带线1包括输入阻抗为50ω的微带传输线11和终端开路低阻抗线12，所述输入阻抗为50ω的微带传输线11的始端位于介质基板8的左侧长边上，其末端与终端开路低阻抗线12的始端相连；所述第一f型槽线谐振器2包括作为竖直臂21和加载于所述竖直臂21上的短水平臂22以及长水平臂23；所述第一f型槽线谐振器2在介质基板8上表面的投影与输入端微带线1垂直相交于输入阻抗为50ω的微带传输线11与终端开路低阻抗线12的交接处，第一f型槽线谐振器2的竖直臂21与终端开路低阻抗线12通过耦合，形成微带-槽线过渡结构。所述第二f型槽线谐振器3包括竖直臂31，加载于竖直臂31上的短水平臂32和长水平臂33；所述第一f型槽线谐振器2的长水平臂23与第二f型槽线谐振器3的长水平臂33通过耦合，形成槽线之间的过渡结构；所述终端开路谐振器4与第二f型槽线谐振器的竖直臂31通过耦合，形成带外零点；所述第二f型槽线谐振器的竖直臂31末端与天线的第一辐射单元5和第二辐射单元6相连，第二f型槽线谐振器的竖直臂31作为天线单元的信号输入端。

所述第一f型槽线谐振器的竖直臂21和第二f型槽线谐振器的竖直臂31均平行于介质基板8的长边；所述输入端微带线1位于第一f型槽线谐振器2上方，与介质基板8的窄边平行，其输入端置于介质基板8的左侧长边上；所述终端开路谐振器4位于第二f型槽线谐振器3的上方，且关于第二f型槽线谐振器的竖直臂31呈轴对称分布；所述第一辐射单元5与第二辐射单元6关于第二f型槽线谐振器的竖直臂31呈轴对称分布；所述引向器7关于第二f型槽线谐振器的竖直臂31呈轴对称分布。

所述介质基板8的相对介电常数为2.2，厚度为0.508mm。

本发明的工作过程为：

本发明基于多模谐振器、微带到槽线的过渡结构所设计的宽带滤波天线。如图2所示，所述的输入端微带线1馈入的信号经终端开路低阻抗线12与金属接地板上刻蚀的第一f型槽线谐振器的竖直臂21耦合，激励起第一f型槽线谐振器2的谐振模式；接着，第一f型槽线谐振器的长水平臂23与第二f型槽线谐振器的长水平臂33耦合，并在加载于第二f型槽线谐振器的竖直臂上的短水平臂32上实现谐振，实现宽带带通响应特性。接着，信号经第二f型槽线谐振器的竖直臂31与介质基板8顶层的终端开路谐振器4耦合，在通带边缘的低频处形成一个传输零点，实现良好的频率选择特性。接下来，第二f型槽线谐振器的竖直臂31作为天线辐射单元的输入端，然后传输到天线的第一辐射单元5和第二辐射单元二，向外辐射。

天线的第一辐射单元5和第二辐射单元6的渐变结构是为了与带宽滤波特性相匹配，天线的引向器7增强天线向主辐射方向的辐射性能，使得天线方向性变好。

在结构上，微带传输线11的输入阻抗为50ω，由微带传输线的宽度决定；终端开路谐振器4的长度近似于设定的带外零点频率所对应的半波长；渐变的阻抗匹配端51和61主要实现槽线到天线的阻抗匹配，更好地为天线馈电。

在制造上通过印制电路板制造工艺对电路基板正面及背面的金属面进行加工刻蚀从而形成所需的金属图案。

图2、图3分别为宽带滤波天线俯视图与仰视图，其尺寸规格图如图4、图5所示。所采用的介质基板相对介电常数为2.2，厚度为0.508mm。结合图4、图5，滤波天线各个参数尺寸如下：l1:7.05mm，l2:1.6mm，l3:2.9mm，l4:3.2mm，c0:0.1mm，c1:10.0mm，c2:3.0mm，c3:6.7mm，c4:5.0mm，c5:1.2mm，z1:0.5mm，z2:5.4mm，z3:3.2mm，x1:25.6mm，x2:0.2mmt1:0.5mm，t2:1.5mm，f1:8.7mm，f2:8.0mm，f3:1.5mm，f4:2.5mm，f5:1.3mm，y1:2.0mm，y2:10mm，y3:3mm，y4:2mm。整个滤波天线的整体面积为27.7mm*44.2mm。

本实施例在电磁仿真软件hfss16.1中进行建模仿真，图6是实例中的滤波天线的s参数仿真图，通过图6可以看出，所设计滤波天线具有很好的滤波特性，其中心频率为6.75ghz，工作带宽为5.35ghz-8.14ghz，相对带宽达到41.4％，在工作频带外的4.2ghz与12.3ghz处，存在两个辐射零点，从而确保了良好的滤波性能，且通带内回波损耗低于-10db。

图7是实例中的宽带滤波天线的增益仿真图，可以看出，天线具有较为稳定的辐射特性，工作频带内增益较为稳定，为5db左右。

图8、图9、图10、图11、图12与图13分别为实例中对应的滤波天线在工作频带内5.59ghz、6.61ghz与7.8ghz对应频点的e面与h面的天线辐射方向图，可以看到，所设计的滤波天线具有很好的辐射方向性。

综上所述，本发明所设计的滤波天线基于微带-槽线的过渡结构，在通带内增益平坦，且辐射方向性良好，具有宽频带，结构简单、紧凑等优点，适用于当前的无线通讯环境与系统。