一种基于双层结构的双频滤波天线

1.本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于双层结构的双频滤波天线。


背景技术：

2.随着无线通信技术的不断发展，现今将正式步入第五代移动通信时代，5g 频段的应用将会更加普及。各种移动终端设备也在应运而生，对于通信产品的外观和大小有了更高的追求，留给射频前端的空间更加有限，所以近年来的射频设计的重点是多功能、低成本、小型化。如何设计一个功能完善的、适合不同5g 频段的天线是学者研究的方向。滤波天线则是天线和滤波器综合设计，具有滤波作用滤除不需要的外界信号和干扰的同时实现辐射功能，成为一项不错的选择。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种基于双层结构的双频滤波天线，包括：平行设置的上层基板和下层基板；
4.在上层基板的上表面设置天线辐射单元，天线辐射单元包括纵向平行排布且相互耦合的第一辐射贴片和第二辐射贴片，第一辐射贴片上开设有长方形空槽；在下层基板的上表面设置馈电电路，馈电电路包括阶跃阻抗谐振器和对称设置于阶跃阻抗谐振器两端的一对“l”型枝节；
5.下层基板的下表面接地，上层基板与下层基板之间、下层基板与地面之间均采用探针连接。
6.如上所述的基于双层结构的双频滤波天线，其中，第一辐射贴片是32mm
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31.3mm的大贴片，位于上层基板上表面的上部，在第一辐射贴片上开设长为 a＝16mm、宽为b1＝2mm的长方形空槽；第二辐射贴片是28mm
×
4mm的小贴片，位于上层基板上表面的下部，第一辐射贴片与第二辐射贴片之间留有空隙，保证两片辐射贴片相互耦合作用，形成两个频段的谐振。
7.如上所述的基于双层结构的双频滤波天线，其中，上层基板的两个矩形辐射贴片激发两个谐振模式，其中高频谐振用于形成n79频段，低频谐振用于形成 n77/n78频段。
8.如上所述的基于双层结构的双频滤波天线，其中，下层基板上表面设置的阶跃阻抗谐振器包括第一微带线、对称设置在第一微带线两端且垂直于第一微带线两端的结构相同的第二微带线和第三微带线，以及设置在第一微带线中央且与第二微带线设置在同侧的第四微带线。
9.如上所述的基于双层结构的双频滤波天线，其中，第一微带线长度t1＝32mm，第二微带线和第三微带线的长度t2＝16mm、宽度t3＝2.0mm，第四微带线的长度 t4＝3.7mm。
10.如上所述的基于双层结构的双频滤波天线，其中，在第二微带线上端设置第一“l”型枝节、在第三微带线上端设置第二“l”型枝节；第一“l”型枝节的竖边设置在阶跃阻抗谐振器的“倒m”型结构内侧，且平行于第二微带线，第一“l”型枝节的横边在第二微带线正上
方；第二“l”型枝节的竖边设置在阶跃阻抗谐振器的“倒m”型结构内侧，且平行于第三微带线，第一“l”型枝节的横边在第三微带线正上方；两个“l”型枝节与微带线之间留有缝隙。
11.如上所述的基于双层结构的双频滤波天线，其中，第一“l”型枝节和第二“l”型枝节的横边长度s1＝8.0mm，第一“l”型枝节和第二“l”型枝节的竖边长度s2＝16.5mm。
12.如上所述的基于双层结构的双频滤波天线，其中，天线辐射单元与阶跃阻抗谐振器之间采用长度为3mm、半径为0.6mm的探针连接，激励辐射贴片，下层基板与地面之间采用长度为1mm、半径为0.6mm的探针馈电。
13.如上所述的基于双层结构的双频滤波天线，其中，所述双频滤波天线采用 50ω同轴线从下层基板背面馈电。
14.本发明实现的有益效果如下：采用本发明双层结构的双频滤波天线，能够工作在n77/n78/n79频段，在第一个工作频带中实现双阶滤波，天线带宽增加。测试的增益低频段的为6.38dbi，第二段单阶频段达到了1.02dbi。整个滤波天线的设计，实现了良好的滤波效果和所需增益。该天线具有优良的滤波响应和良好的辐射模式，是5g系统的理想选择。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1是本发明实施例一提供的一种基于双层结构的双频滤波天线俯视图和侧视图；
17.图2是一种基于双层结构的双频滤波天线的各层结构示意图；
18.图3是长方形空槽的长度与天线参数s11的关系图；
19.图4是长方形空槽的位置与天线参数s11的关系图；
20.图5是不同频点的贴片上电流分布情况图；
21.图6是本发明设计过程中增改不同结构的增益比较图；
22.图7是通过微波暗室测试验证本发明的双频滤波天线时，天线的参数s11和增益的仿真和测试比较图；
23.图8是在三个不同的谐振点处的e面和h面的仿真和测试的辐射方向图。
具体实施方式
24.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.实施例一
26.本发明实施例一提供一种基于双层结构的双频滤波天线，工作在n77/n78/n79 频段。如图1和图2所示，所述双频滤波天线包括平行设置的上层基板1和下层基板2。在上层基板1的上表面设置天线辐射单元10，天线辐射单元10包括纵向平行排布且相互耦合的第一
辐射贴片101和第二辐射贴片102，第一辐射贴片 101上开设有长方形空槽103，上层基板1的两个辐射贴片激发两个谐振模式，其中高频谐振用于形成n79频段，低频谐振用于形成n77/n78频段。为了获得双通带滤波效果，在下层基板2的上表面设置馈电电路20，馈电电路20包括阶跃阻抗谐振器(sir)201和对称设置于阶跃阻抗谐振器201两端的一对“l”型枝节202；设置阶跃阻抗谐振器201实现在两个频段间形成带外辐射零点，设置一对“l”型枝节202实现额外的谐振点来扩大天线的带宽。下层基板2的下表面连接地面3，上层基板1与下层基板2之间、以及下层基板2与地面3之间均采用探针4连接，激励辐射贴片工作。所述双频滤波天线采用50ω同轴线从下层基板背面馈电。
27.优选地，上层基板和下层基板采用介电常数为4.4的fr4介质基板，基板尺寸为60
×
50mm，上层基板厚度0.5mm，下层基板厚度1mm，两基板间的间隙为 2.5mm，在上层基板与下层基板间的是空气介质，天线辐射单元与阶跃阻抗谐振器之间采用长度为3mm、半径为0.6mm的探针连接，激励辐射贴片，下层基板与地面之间采用长度为1mm、半径为0.6mm的探针馈电。采用半径为0.6mm探针馈电的方式，使得本发明的天线可以更容易地集成在接地层下，并且对天线的辐射性能的影响较小。
28.本发明通过设置上层基板的天线辐射单元为矩形开槽结构，下层基板的“l”型枝节激励起双频带，使得本发明的双频滤波天线能够工作在n77(3300mhz
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4200mhz)、n78(3300mhz
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3800mhz)、n79(4400mhz
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5000mhz)频段，经过高频仿真软件(hfss)优化，其仿真结果和测试结果均在3.37
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3.53ghz(n77/n78)， 4.55
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4.64ghz(n79)两个频段范围内，可用于6ghz以下5g的无线通信应用。
29.在上层基板的上表面设置第一辐射贴片与第二辐射贴片，为实现良好的双频效果，优选地，第一辐射贴片是32mm(l1)
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31.3mm(l2)的大贴片，位于上层基板上表面的上部，为协调阻抗匹配，在第一辐射贴片上开设长为a＝16mm，宽为b1＝2mm的长方形空槽；第二辐射贴片是28mm(p1)
×
4mm(p2)的小贴片，位于上层基板上表面的下部，第一辐射贴片与第二辐射贴片之间留有空隙，保证两片辐射贴片相互耦合作用，形成两个频段的谐振。
30.其中，如图3和图4所示，长方形空槽的长度a和长方形孔槽底边距第一辐射贴片底边的长度d对于两个频段的匹配有影响，从图上可以看出a在16mm、d 在3.5mm处时，频段匹配度最佳。
31.图5展示了不同频点的贴片上电流分布情况。图5中第一个电流分布图显示了在3.1ghz，贴片上电流上下相向，抵消了由异向电流引起的辐射，因此产生了辐射零点。在工作频点3.455ghz上，贴片上的电流沿长边所在的x轴正向流动，一个主辐射方向工作。而在工作频点4.74ghz上的模式电流是沿贴片短边所在的y轴方向，且方向一半向y轴正向，一半向y轴负向。在图5中第四个电流分布图中可以看到在5.42ghz处贴片电流沿y轴反向分布，且整体的电流很弱，在该频点上的辐射得到抑制，实现辐射零点。
32.下层基板上表面设置的阶跃阻抗谐振器包括第一微带线(长度t1＝32mm)、对称设置在第一微带线两端且垂直于第一微带线两端的结构相同的第二微带线和第三微带线(长度t2＝16mm、宽度t3＝2.0mm)，以及设置在第一微带线中央且与第二微带线设置在同侧的第四微带线(长度t4＝3.7mm)。
33.在第二微带线上端设置第一“l”型枝节、在第三微带线上端设置第二“l”型枝节；第一“l”型枝节的竖边(长度s2＝16.5mm)设置在阶跃阻抗谐振器的“倒m”型结构内侧，且平
行于第二微带线，第一“l”型枝节的横边(长度s1＝8.0mm)在第二微带线正上方；第二“l”型枝节的竖边设置在阶跃阻抗谐振器的“倒m”型结构内侧，且平行于第三微带线，第一“l”型枝节的横边在第三微带线正上方；两个“l”型枝节与微带线之间留有缝隙。
34.本发明实施例中，上表面的sir微带线可以起到在两个频带边沿产生辐射零点的作用，得到滤波效果。两个“l”型枝节匹配电路，会使得低频增加谐振点，从而带宽增加的同时保证了天线在3ghz
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6ghz频率范围内实现了良好的滤波性能。
35.图6展示了本发明设计过程中增改不同结构的增益比较，从图上可以看出，当天线结构是简单的贴片时，增益在频段边缘趋于平缓，加上简单的底部枝节，适当调节其长度，低频工作频段外有明显的变化，边缘陡峭，具有一定选择性，高频工作频段外变化不明显，继续调节尺寸和结构，当将枝节改成sir微带并加上“l”型枝节，再不断调整枝节长度和sir的长度以及它们之间的距离，改善谐振匹配的同时，在低频带边沿辐射零点出现，增强了低频抑制，高频带外也产生了一个辐射零点，有效地提高了选择性。
36.图7为通过微波暗室测试验证本发明的双频滤波天线时，天线的参数s11(回波损耗特性)和增益的仿真和测试比较图，可明显看出有良好的双通带滤波响应，谐振的中心频率有所偏差，但在低频段保持了两个谐振点，分别为3.455ghz和 3.53ghz，高频段谐振点为4.74ghz；在3ghz开始时有点下降，测试的工作频段分别在3.43ghz
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3.6ghz和4.6ghz
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4.71ghz；测试增益在低频段最高达到了 6.38dbi，在高频段达到了1.02dbi，频段间辐射零点的位置有些许偏移，和仿真数据的误差主要为sma接头和同轴线焊接以及测试环境导致。两频段间的带外增益达到了
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27dbi以下，可达到带内工作互不干扰的目标；低频段前的增益和高频段后的带外增益也稳定降到
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15dbi以下，产生辐射零点，具有边带选择性，体现良好的滤波特性。
37.图8展示了在上述三个不同的谐振点处的e面和h面的仿真和测试的辐射方向图。在三个谐振点，最大增益方向有所不同：在3.455ghz和3.53ghz两个中心频率都是x轴方向增益最大，具有良好的定向辐射特性，在4.74ghz，e面的辐射方向为
±
45
°
，e面和h面是对称的，仿真和测量结果具有一致性。
38.以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。