非谐振节点滤波辐射单元、滤波天线及射频通信设备的制作方法

1.本发明涉及一种非谐振节点滤波辐射单元、滤波天线及射频通信设备，属于射频通信技术领域。


背景技术：

2.5g时代下，现代无线通信系统快速发展，移动通信所需的频段愈来愈多，但是，通信系统所能承载通信设备的空间有限，这就要求很多不同频段的通信设备共享一个有限的空间。而天线作为无线通信的辐射器，也必须满足这样的要求。但是，当不同频段天线共存于一个狭小空间时，天线之间的互耦必然导致不同频段间天线的相关性增强，从而导致天线性能恶化，进而影响系统的通信质量。
3.为了进一步说明上述问题，以无线路由器为例。随着物联网技术的发展，终端用户对无线路由器的网速要求越来越高。而多频路由器由于可以提供更宽的射频带宽，大大提升了无线信道的通信容量，因此成为提高用户无线网速的主要技术方案。但是，多频路由器需要在有限的空间中安装大量工作于不同频段的天线，导致了不同频段天线间的互耦强烈，并造成无线通信质量的恶化。更为严重的是，为了实现全向、远距离无线覆盖，无线路由器天线必须具备高增益、水平全向以及结构简单、低成本等特性。为此，无线路由器天线一般采用串馈dipole或者monopole阵列进行设计。为了最大化阵列的增益，阵列必须采用同相馈电技术，这使得串馈线的电长度大于一个波长，因此引入了不必要的低频谐波。由于这些谐波会同时以很高的效率向外辐射，这必然更进一步增强天线间的互耦，引发无线通信系统内多频天线间严重的互扰。
4.为解决此问题，传统方法是在天线后面级联滤波器，通过滤波器提供的带外抑制降低天线间的互耦。但面，增加滤波器的方法具有明显的缺点。滤波器的增加会导致天线的整体尺寸变大，并且额外增加天线的损耗，降低天线辐射效率。相比之下，将滤波效果和天线融合在一起，共同成为滤波天线的方法较有优势。通信系统中的滤波天线可以在不额外增加体积的情况下，降低天线间的互耦，提高天线间的隔离度，从而提高无线通信质量。因此，滤波天线技术具有较为广阔的前景。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种非谐振节点滤波辐射单元、滤波天线及射频通信设备，其可以克服现有技术中滤波天线插损大，电路结构复杂的缺陷，适用于多频天线共存的应用场景中，不仅能提供带外抑制，降低天线间的互耦，而且天线的回波损耗、效率与单独天线相比变化不大，且能在工作频段内保证天线的水平方向辐射以及增益要求。
6.本发明的第一个目的在于提供一种电容式非谐振节点滤波辐射单元。
7.本发明的第二个目的在于提供一种电感式非谐振节点滤波辐射单元。
8.本发明的第三个目的在于提供一种电容式非谐振节点滤波天线。
9.本发明的第四个目的在于提供一种电感式非谐振节点滤波天线。
10.本发明的第五个目的在于提供一种射频通信设备。
11.本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：一种电容式非谐振节点滤波辐射单元，包括平行双线、开路传输线、第一基板、第一金属地和第一馈电结构；所述平行双线包括顶层微带线和底层微带线，平行双线的顶部开路，平行双线的底部被第一金属地短路，所述开路传输线的顶部和底部均为开路结构，所述第一金属地包括第一顶层金属板、第一底层金属板和第一金属化过孔，所述第一顶层金属板和第一底层金属板附着在第一基板上，并通过第一金属化过孔连接，所述第一馈电结构包括第一同轴线，所述第一同轴线的第一外导体焊接于第一顶层金属板中，第一同轴线的第一内导体焊接于开路传输线中。
12.进一步的，所述平行双线的长度为λg/4，等效于一个并联谐振器，所述并联谐振器由差模馈电，顶层微带线和底层微带线的电流反相，其中λg为导波波长。
13.进一步的，所述开路传输线的长度小于λg/4，等效为一个并接于信号输入端口和辐射端口之间的电容，其中λg为导波波长。
14.进一步的，所述电容式非谐振节点滤波辐射单元的谐振频率和辐射零点通过下式表征：；其中，ω2是辐射零点角频率，ω0是谐振角频率，j是j变换器的值，c1是电容式非谐振节点滤波辐射单元的并联电容值，l2是并联谐振器的电感值；电容式非谐振节点滤波辐射单元在工作频带内产生一个并联谐振频率，同时在工作频带外产生一个辐射零点，通过调节j和c1实现对谐振频率和辐射零点距离的控制。
15.可以理解，调整等效于电容的开路传输线长度，使其在λg/4-λg/2变化，此时开路传输线从容性变为感性，电容式非谐振节点滤波辐射单元变成电感式非谐振节点滤波辐射单元。
16.本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：一种电感式非谐振节点滤波辐射单元，包括平行双线、短路传输线、第一基板、第一金属地和第一馈电结构；所述平行双线包括顶层微带线和底层微带线，平行双线的顶部开路，平行双线的底部被第一金属地短路，所述短路传输线的顶部为开路结构，短路传输线的底部被第一金属地短路，所述第一金属地包括第一顶层金属板、第一底层金属板和第一金属化过孔，所述第一顶层金属板和第一底层金属板附着在第一基板上，并通过第一金属化过孔连接，所述第一馈电结构包括第一同轴线，所述第一同轴线的第一外导体焊接于第一顶层金属板中，第一同轴线的第一内导体焊接于短路传输线中。
17.进一步的，所述平行双线的长度为λg/4，等效于一个并联谐振器，所述并联谐振器由差模馈电，顶层微带线和底层微带线的电流反相，其中λg为导波波长。
18.进一步的，所述短路传输线的长度小于λg/4或长度大于λg/4，等效为一个并接于信号输入端口和辐射端口之间的电感，其中λg为导波波长。
19.进一步的，所述电感式非谐振节点滤波辐射单元的谐振频率和辐射零点通过下式
表征：；其中，ω2是辐射零点角频率，ω0是谐振角频率，j为j变换器的值，l1是电感式非谐振节点滤波辐射单元的并联电感值，c2是并联谐振器的电容值；电感式非谐振节点滤波辐射单元在工作频带内产生一个并联谐振频率，同时在工作频带外产生一个辐射零点，通过调节j实现对谐振频率和辐射零点距离的控制。
20.可以理解，调整等效于电感的短路传输线长度，使其在λg/4-λg/2变化，此时短路传输线从感性变为容性，电感式非谐振节点滤波辐射单元可以变成电容式非谐振节点滤波辐射单元。
21.本发明的第三个目的可以通过采取如下技术方案达到：一种电容式非谐振节点滤波天线，其特征在于，包括串馈天线以及上述的电容式非谐振节点滤波辐射单元，所述串馈天线和电容式非谐振节点滤波辐射单元共同组成一个二阶滤波网络。
22.进一步的，还包括第二基板、第二金属地和第二馈电结构；所述串馈天线包括三个辐射贴片，三个辐射贴片通过高阻线依次连接；串馈天线最下面的一个辐射贴片与第二金属地连接，形成短路结构；串馈天线最下面的一个辐射贴片被部分挖空，所挖空的部分被放入电容式非谐振节点滤波辐射单元，所述电容式非谐振节点滤波辐射单元与串馈天线通过缝隙实现相互耦合；所述第二金属地包括第二顶层金属板、第二底层金属板和第二金属化过孔，所述第二顶层金属板和第二底层金属板附着在第二基板上，并通过第二金属化过孔连接，所述第二馈电结构包括第二同轴线，所述第二同轴线的第二外导体焊接于第二顶层金属板中，第二同轴线的第二内导体焊接于开路传输线中。
23.本发明的第四个目的可以通过采取如下技术方案达到：一种电感式非谐振节点滤波天线，包括串馈天线以及上述的电感式非谐振节点滤波辐射单元，所述串馈天线和电感式非谐振节点滤波辐射单元共同组成一个二阶滤波网络。
24.进一步的，还包括第二基板、第二金属地和第二馈电结构；所述串馈天线包括三个辐射贴片，三个辐射贴片通过高阻线依次连接；串馈天线最下面的一个辐射贴片与第二金属地连接，形成短路结构；串馈天线最下面的一个辐射贴片被部分挖空，所挖空的部分被放入电感式非谐振节点滤波辐射单元，所述电感式非谐振节点滤波辐射单元与串馈天线通过缝隙实现相互耦合；所述第二金属地包括第二顶层金属板、第二底层金属板和第二金属化过孔，所述第二顶层金属板和第二底层金属板附着在第二基板上，并通过第二金属化过孔连接，所述第二馈电结构包括第二同轴线，所述第二同轴线的第二外导体焊接于第二顶层金属板中，第二同轴线的第二内导体焊接于短路传输线中。
25.本发明的第五个目的可以通过采取如下技术方案达到：一种射频通信设备，包括上述的电容式非谐振节点滤波天线，或包括上述的电感
式非谐振节点滤波天线。
26.本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：本发明天线通过设计电容式和电感式非谐振节点（non-resonant node，nrn）滤波辐射单元，可以任意调制辐射零点与谐振频率的关系；非谐振节点滤波辐射单元可以与其他辐射体耦合，共同组成多阶滤波网络；本发明天线具有高增益、全向辐射和高带外抑制的特性，应用场合广泛，覆盖范围大；本发明天线结构简单，除了不额外占用天线体积外，还可使用pcb加工技术使得设计成本低廉；因此，相比于目前的带通滤波天线设计方案而言，更有利于器件的低廉化、集成化。
附图说明
27.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的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
28.图1为本发明实施例1的电容式非谐振节点滤波辐射单元的具体实现结构图。
29.图2为本发明实施例1的电容式非谐振节点滤波辐射单元的等效电路图。
30.图3为本发明实施例1的电容式非谐振节点滤波辐射单元的滤波响应曲线图。
31.图4为本发明实施例2的电容式非谐振节点滤波天线的具体实现结构图。
32.图5为本发明实施例2的电容式非谐振节点滤波天线的等效电路图。
33.图6为本发明实施例2的电容式非谐振节点滤波天线的滤波响应曲线图。
34.图7为本发明实施例3的电感式非谐振节点滤波辐射单元的具体实现结构图。
35.图8为本发明实施例3的电感式非谐振节点滤波辐射单元的等效电路图。
36.图9为本发明实施例3的电感式非谐振节点滤波辐射单元的滤波响应曲线图。
37.图10为本发明实施例4的电感式非谐振节点滤波天线的具体实现结构图。
38.图11为本发明实施例4的电感式非谐振节点滤波天线的等效电路图。
39.图12为本发明实施例4的电感式非谐振节点滤波天线的滤波响应曲线图。
40.图1和图7中，101-顶层微带线，102-底层微带线，200-开路传输线，300-第一基板，401-第一顶层金属板，402-第一底层金属板，403-第一金属化过孔，501-第一外导体，502-第一内导体，600-短路传输线。
41.图4和图10中，101-顶层微带线，102-底层微带线，200-开路传输线，600-短路传输线，700-串馈天线，701-辐射贴片，702-高阻线，703-缝隙，800-第二基板，901-第二顶层金属板，902-第二底层金属板，903-第二金属化过孔，1001-第二外导体，1002-第二内导体。
具体实施方式
42.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通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。
43.实施例1：
如图1所示，本实施例提供了一种电容式非谐振节点滤波辐射单元，其包括平行双线、开路传输线200、第一基板300、第一金属地和第一馈电结构，电容式非谐振节点滤波辐射单元的等效电路如图2所示，等效于一个二端口并联电容通过j变换器耦合一个并联谐振器。
44.进一步地，平行双线包括顶层微带线101和底层微带线102，平行双线的顶部开路，平行双线的底部被第一金属地短路，即与第一金属地短路连接，平行双线的长度约为λg/4（λg为导波波长），在电路理论中等效于一个并联谐振器，即图1中l2和c2组成并联谐振器。所述并联谐振器由差模馈电，顶层微带线101和底层微带线102的电流反相，因此平行双线谐振器不产生辐射。
45.进一步地，开路传输线200的顶部和底部均为开路结构，开路传输线200上无任何金属遮挡物，可以向空气辐射电磁波。因此，开路传输线200的总长度小于λg/4时，在微波电路理论中等效为一个并接于信号输入端口和辐射端口之间的电容，即图1中的电容c1，电容的一个端口为信号输入端口，另一个端口等效于接收电磁能量的辐射端口。
46.本实施例中，辐射零点由其耦合的并联谐振器产生，辐射零点频率为并联谐振器的谐振频率，电容式非谐振节点滤波辐射单元谐振频率和辐射零点可以被以下公式表征：（1）其中，ω2是辐射零点角频率，ω0是谐振角频率，j是j变换器的值，c1是电容式非谐振节点滤波辐射单元的并联电容值，l2是并联谐振器的电感值。
47.进一步地，电容式非谐振节点滤波辐射单元在工作频带内产生一个并联谐振频率，同时在工作频带外产生一个辐射零点；并联谐振器的高度可调，通过调整高度可以同时控制辐射零点ω2和谐振频率ω0，并联谐振频率高于辐射零点频率，调整并联谐振器与构建等效电容的开路传输线间的距离，可以调控耦合参数j的大小，并最终调控辐射零点ω2与谐振频率ω0的距离。
48.进一步地，第一基板300附着全部电容式非谐振节点滤波辐射单元所需的金属，包括构成开路传输线200、平行双线和第一金属地的金属铜箔，第一基板300上面钻有通孔，以便过孔通过。
49.进一步地，第一金属地包括第一顶层金属板401、第一底层金属板402和第一金属化过孔403，第一顶层金属板401和第一底层金属板402附着在第一基板300上，并通过第一金属化过孔403连接，形成电容式非谐振节点滤波辐射单元的电气地。
50.进一步地，第一馈电结构包括第一同轴线，第一同轴线的第一外导体501焊接于第一顶层金属板401中，第一同轴线的第一内导体502焊接于开路传输线200中，这种馈电结构实现了同轴到电容式非谐振节点滤波辐射单元的馈电转换，馈电方式是一种通过磁场耦合实现对电容式非谐振节点滤波辐射单元进行激励的结构，因此馈电高度越高，所接收的磁通量越大，耦合到电容式非谐振节点滤波辐射单元磁场越强。
51.本实施例的电容式非谐振节点滤波辐射单元可以同时实现一个谐振频率ω0和一
个辐射零点ω2，根据公式（1）所示，辐射零点ω2小于谐振频率ω0。仿真结果如图3所示，验证了该公式。
52.实施例2：如图4所示，本实施例提供了一种电容式非谐振节点滤波天线，工作频段为5735-5825 mhz，该天线包括串馈天线700、第二基板800、第二金属地和第二馈电结构以及实施例1的电容式非谐振节点滤波辐射单元，串馈天线和电容式非谐振节点滤波辐射单元共同组成一个二阶滤波网络，如图5所示。
53.进一步地，串馈天线700可以是单极子、偶极子、平行双线、贴片等谐振器形式，且形状可变，本实施例的串馈天线700包括三个辐射贴片701，三个辐射贴片701通过高阻线702依次连接，并且串馈天线700工作在高阶模式，该高阶模式与电容式非谐振节点滤波辐射单元耦合共同组成二阶滤波网络；具体地，串馈天线700最下面的一个辐射贴片701与第二金属地连接，形成短路结构；串馈天线700最下面的一个辐射贴片701被部分挖空，所挖空的部分被放入电容式非谐振节点滤波辐射单元（除了第一金属地外的所有结构），电容式非谐振节点滤波辐射单元与串馈天线700通过缝隙703实现相互耦合，由于被短路的串馈天线和电容式非谐振节点滤波辐射单元都等效于并联谐振，因此通过缝隙间的相互耦合后，串馈天线和电容式非谐振节点滤波辐射单元共同组成了一个具有高增益、全向辐射和高带外抑制的二阶滤波网络。
54.进一步地，本实施例的第二基板、第二金属地和第二馈电结构与实施例1的第一基板、第一金属地和第一馈电结构相似，第二金属地包括第二顶层金属板901、第二底层金属板902和第二金属化过孔903，第二顶层金属板901和第二底层金属板902附着在第二基板800上，并通过第二金属化过孔903连接，第二馈电结构包括同轴线，第二同轴线的第二外导体1001焊接于第二顶层金属板901中，第二同轴线的第二内导体1002焊接于等效于电容的开路传输线200中。
55.如图6所示，为本实施例的电容式非谐振节点滤波天线的滤波响应曲线图，从图中可见辐射零点工作于滤波天线通带的左边，即辐射零点频率小于通带频率；另外，由于左边辐射零点的存在，天线对5170-5335mhz频段实现大于16db的带外抑制。
56.实施例3：如图7所示，本实施例提供了一种电感式非谐振节点滤波辐射单元，包括平行双线、短路传输线600、第一基板300、第一金属地和第一馈电结构，电感式非谐振节点滤波辐射单元的等效电路如图8所示，等效于一个二端口并联电感通过j变换器耦合一个并联谐振器。
57.进一步地，平行双线包括顶层微带线101和底层微带线102，平行双线的顶部开路，平行双线的底部被第一金属地短路，即与第一金属地短路连接，平行双线的长度约为λg/4（λg为导波波长），在电路理论中等效于一个并联谐振器，即图8中l2和c2组成并联谐振器。所述并联谐振器由差模馈电，顶层微带线101和底层微带线102的电流反相，因此平行双线谐振器不产生辐射。
58.进一步地，短路传输线600的顶部为开路结构，短路传输线600的底部被第一金属地短路，即与第一金属地短路连接，短路传输线600上无任何金属遮挡物，可以向空气辐射电磁波。因此，短路传输线600的总长度小于λg/4时，在微波电路理论中等效为一个等效为
一个并接于信号输入端口和辐射端口之间的电感，即图8中的电感l1，电感的一个端口为信号输入端口，另一个端口等效于接收电磁能量的大气辐射端口。
59.本实施例中，辐射零点由其耦合的并联谐振器产生，辐射零点频率为并联谐振器的谐振频率，电感式非谐振节点滤波辐射单元的谐振频率和辐射零点通过下式表征：（2）其中，ω2是辐射零点角频率，ω0是谐振角频率，j为j变换器的值，l1是电感式非谐振节点滤波辐射单元的并联电感值，c2是并联谐振器的电容值；电感式非谐振节点滤波辐射单元在工作频带内产生一个并联谐振频率，同时在工作频带外产生一个辐射零点。
60.进一步地，电感式非谐振节点滤波辐射单元在工作频带内产生一个并联谐振频率，同时在工作频带外产生一个辐射零点；并联谐振器的高度可调，通过调整高度可以同时控制辐射零点ω2和谐振频率ω0，并联谐振频率低于辐射零点频率，调整并联谐振器与构建等效电感的短路传输线间的距离，可以调控耦合参数j的大小，并最终调控辐射零点ω2与谐振频率ω0的距离。
61.进一步地，第一基板300附着全部电感式非谐振节点滤波辐射单元所需的金属，包括构成短路传输线600、平行双线和第一金属地的金属铜箔，第一基板300上面钻有通孔，以便过孔通过。
62.进一步地，第一金属地包括第一顶层金属板401、第一底层金属板402和第一金属化过孔403，第一顶层金属板401和第一底层金属板402附着在第一基板300上，并通过第一金属化过孔403连接，形成电感式非谐振节点滤波辐射单元的电气地。
63.进一步地，第一馈电结构包括第一同轴线，第一同轴线的第一外导体501焊接于第一顶层金属板401中，第一同轴线的第一内导体502焊接于短路传输线600中，这种馈电结构实现了同轴到电感式非谐振节点滤波辐射单元的馈电转换，馈电方式是一种通过磁场耦合实现对电感式非谐振节点滤波辐射单元进行激励的结构，因此馈电高度越高，所接收的磁通量越大，耦合到电感式非谐振节点滤波辐射单元磁场越强。
64.本实施例的电感式非谐振节点滤波辐射单元可以同时实现一个谐振频率ω0和一个辐射零点ω2。根据公式（2）所示，辐射零点ω2大于谐振频率ω0。仿真结果如图9所示，验证了该公式。
65.实施例4：如图10所示，本实施例提供了一种电感式非谐振节点滤波天线，工作频段为5170-5335mhz，该天线包括串馈天线700、第二基板800、第二金属地和第二馈电结构以及实施例3的电感式非谐振节点滤波辐射单元，串馈天线和电感式非谐振节点滤波辐射单元共同组成一个二阶滤波网络，如图11所示。
66.进一步地，本实施例的串馈天线700包括三个辐射贴片，三个辐射贴片701通过高阻线702依次连接，并且串馈天线700工作在高阶模式，该高阶模式与电感式非谐振节点滤波辐射单元耦合共同组成二阶滤波网络；具体地，串馈天线700最下面的一个辐射贴片701与第二金属地连接，形成短路结构；串馈天线700最下面的一个辐射贴片701被部分挖空，所
挖空的部分被放入电感式非谐振节点滤波辐射单元（除了第一金属地外的所有结构），电感式非谐振节点滤波辐射单元与串馈天线700通过缝隙703实现相互耦合，由于被短路的串馈天线和电感式非谐振节点滤波辐射单元都等效于并联谐振，因此通过缝隙间的相互耦合后，串馈天线和电感式非谐振节点滤波辐射单元共同组成了一个具有高增益、全向辐射和高带外抑制的二阶滤波网络。
67.进一步地，本实施例的第二基板、第二金属地和第二馈电结构与实施例3的第一基板、第一金属地和第一馈电结构相似，第二金属地包括第二顶层金属板901、第二底层金属板902和第二金属化过孔903，第二顶层金属板901和第二底层金属板902附着在第二基板800上，并通过第二金属化过孔903连接，第二馈电结构包括第二同轴线，第二同轴线的第二外导体1001焊接于第二顶层金属板901中，第二同轴线的第二内导体1002焊接于等效于电感的短路传输线600中。
68.如图12所示，为本实施例的电感式非谐振节点滤波天线的滤波响应曲线图，从图中可见辐射零点工作于滤波天线通带的右边，即辐射零点频率大于通带频率。另外，由于左边辐射零点的存在，天线对5735-5835mhz频段实现大于16db的带外抑制。
69.上述实施例2和实施例4实际上为工作于5ghz wifi 的36-64信道和149-165信道的天线；由于天线集成了滤波功能，当实施例3和实施例4两个频段天线与2.4ghz wifi天线共同组成三频路由器时，其集成的滤波响应可以天线提供带外抑制，降低天线间互耦，从而提升无线信道容量。
70.综上所述，本发明天线通过设计电容式和电感式非谐振节点滤波辐射单元，可以任意调制辐射零点与谐振频率的关系；非谐振节点滤波辐射单元可以与其他辐射体耦合，共同组成多阶滤波网络；本发明天线具有高增益、全向辐射和高带外抑制的特性，应用场合广泛，覆盖范围大；本发明天线结构简单，除了不额外占用天线体积外，还可使用pcb加工技术使得设计成本低廉；因此，相比于目前的带通滤波天线设计方案而言，更有利于器件的低廉化、集成化。
71.以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。