一種具有高共模抑制的差分濾波微帶陣列天線的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種具有高共模抑制的差分濾波微帶陣列天線，該天線主要包括三層結構：饋電網絡、含有縫隙結構的地以及含H型諧振器激勵的四個貼片輻射單元。本發明的核心內容在于天線使用多層結構構造，前兩階諧振器分別置于第一層和第三層，其通過第二層的縫隙進行耦合，可以達到天然的高共模抑制效果，這種縫隙耦合還可以使第二階諧振器的兩端形成天然的180度相差，使第二階諧振器擁有巴倫的功能，與此同時第二階諧振器設計成H型，還可以實現一分四的功分功能。在沒有額外級聯濾波器、增加面積的情況下，本發明具有很好的濾波特性，達到了小型化的目的。總的來說本發明具有高選擇性、高共模抑制性、高增益、尺寸小等特性。
【專利說明】
一種具有高共模抑制的差分濾波微帶陣列天線
技術領域
[0001]本發明涉及無線通信的技術領域，尤其是指一種具有高共模抑制的差分濾波微帶陣列天線。
【背景技術】
[0002]近些年來，通信系統正朝著小型化、多功能化方向發展。天線和射頻/微波濾波器作為通信中的關鍵器件，通常是獨立設計，然后通過傳輸線連接，但很多時候天線和濾波器如果工作帶寬不同，它們的輸入阻抗往往不能完全匹配，這將影響頻率特性。如果進行單獨的匹配電路設計，會導致設計的復雜化，并且增加器件的尺寸。集成的濾波天線實現濾波和輻射雙重功能，有利于射頻前端的小型化，一定程度上可以降低通信設備的體積和成本。
[0003]差分信號傳輸具有很好的抗干擾特性，很多通信系統的信號傳輸都工作在差分狀態，因此高性能的差分天線是目前的研究熱點之一。
[0004]對現有技術進行調查了解，具體如下:
[0005](I)期刊:IEEE TRANSACT1NS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES，文章:AFiltering Microstrip Antenna Array，作者:Chin-Kai Lin，Shyh-Jong Chung，發表時間:2011年59卷11期。
[0006]文章中使用了四個貼片天線作為天線輻射單元，饋電網絡由三個諧振器組成，饋電網絡構成了濾波天線中的前兩階諧振器，而天線輻射單元構成了第三階諧振器，最后總的構成了具有三階濾波特性的濾波陣列天線。該天線具有良好的濾波特性以及輻射特性，但天線只能單端輸入，不能工作于差分輸入。
[0007](2)期刊:IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGAT1N LETTERS，文章:ADifferential Microstrip Antenna with Filtering Response，作者:Lin Li ,Gang Liu,發表時間:2016年待刊。
[0008]文章中天線工作于差分輸入，同樣采用貼片天線作為天線輻射單元，饋電網絡構成了濾波天線中的第一階諧振器，天線輻射單元構成了第二階諧振器，最后總的構成了具有二階濾波特性的差分濾波天線。該天線具有良好的濾波特性，但由于只有一個輻射單元，天線增益有待提尚。
[0009]總的來說，目前在已公開的文章以及專利中，難以看見一款工作在差分輸入的濾波微帶陣列天線。
【發明內容】
[0010]本發明的目的在于克服現有微帶陣列天線缺乏良好濾波特性和只能單端輸入的缺陷，提供一種具有高共模抑制的差分濾波微帶陣列天線，該天線采用平面微帶結構，具有設計加工簡單、體積小、重量輕、性能優良等優點。
[0011 ]為實現上述目的，本發明所提供的技術方案為:一種具有高共模抑制的差分濾波微帶陣列天線，包括兩塊上下疊置的板狀電介質基板，分別為第一基板和第二基板，所述第一基板的上表面金屬箔形成有第一微帶結構，所述第二基板的下表面金屬箔形成有第二微帶結構，該第一基板和第二基板的接觸面金屬箔形成為地，且在地中挖槽而形成有縫隙結構;所述第一微帶結構包括一個H型諧振器和四個貼片輻射單元，所述四個貼片輻射單元分別與H型諧振器的四個端處耦合連接;所述第二微帶結構包括一個諧振器和四個饋電結構，該四個饋電結構分別為第一饋電結構、第二饋電結構、第三饋電結構、第四饋電結構，該諧振器工作于半波長模式，并與第三饋電結構和第四饋電結構平行放置，四個饋電結構與諧振器能量傳輸通過縫隙耦合的方式實現，該第三饋電結構與第一饋電結構垂直連接，該第四饋電結構與第二饋電結構垂直連接;上述縫隙結構位于地的中央，并與第二微帶結構的諧振器垂直;所述第一微帶結構的H型諧振器與第二微帶結構的諧振器通過縫隙耦合，該H型諧振器的上兩端與下兩端處形成天然的180度相差，使H型諧振器不但有功分的功能還有巴倫的功能。
[0012]所述第一微帶結構的H型諧振器與第二微帶結構的諧振器構成天線中的前兩階諧振器，四個貼片輻射單元構成第三階諧振器。
[0013]所述第一饋電結構和第二饋電結構為50歐姆饋電。
[0014]所述第三饋電結構和第四饋電結構長四分之一波導波長。
[0015]所述H型諧振器的四個端處分別進行彎折，以更好地給貼片輻射單元饋電。
[0016]本發明與現有技術相比，具有如下優點與有益效果:
[0017]1、普通微帶陣列天線往往需要額外級聯濾波器以獲得良好的濾波特性，而本微帶陣列天線具有固有的很好的濾波特性，無需添加額外電路，進而減少射頻前端的尺寸。
[0018]2、本微帶陣列天線工作于差分輸入，具有優異的共模抑制特性，天線整體同時具有差分輸入、優異濾波以及高增益等特性。
[0019]3、本微帶陣列天線易于加工制造，成本低，平面結構易于集成，適用于多種通信系統中。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發明天線的豎截面剖視圖。
[0021 ]圖2是本發明天線的第一層結構示意圖。
[0022]圖3是本發明天線的第二層結構示意圖。
[0023]圖4是本發明天線的第三層結構示意圖。
[0024]圖5是本發明天線的總體結構示意圖。
[0025]圖6是本發明天線的S參數以及邊射方向增益仿真結果。
[0026]圖7是本發明天線在中心頻率處H面主極化方向圖仿真結果。
[0027]圖8是本發明天線在中心頻率處E面方向圖仿真結果。
【具體實施方式】
[0028]下面結合具體實施例對本發明作進一步說明。
[0029]本發明的差分濾波微帶陣列天線整體制作在多層覆銅的介質基板上，使用機械刻制、激光刻制、電路板腐蝕等技術均可容易地制作。本發明的核心內容在于天線使用多層結構構造，前兩階諧振器分別置于第一層和第三層，其通過第二層的縫隙進行耦合，可以達到天然的高共模抑制效果，這種縫隙耦合還可以使第二階諧振器的兩端形成天然的180度相差，使第二階諧振器擁有巴倫的功能，與此同時第二階諧振器設計成H型，還可以實現一分四的功分功能。
[0030]本發明的差分濾波微帶陣列天線以印刷電路板的方式制作在兩塊介電常數為2.55，厚度為0.8mm的聚四氟乙烯雙面覆銅微帶板上，結構如圖1、2、3、4、5所示，最后使兩塊板貼合在一起以實現三層電路的功能。
[0031]如圖1至圖5所示，本發明的差分濾波微帶陣列天線主要包括兩塊上下疊置的板狀電介質基板，分別為第一基板11和第二基板10，所述第一基板11的上表面金屬箔形成有第一微帶結構15，所述第二基板10的下表面金屬箔形成有第二微帶結構12，該第一基板11和第二基板10的接觸面金屬箔形成為地13，且在地13中挖槽而形成有縫隙結構14;所述第一微帶結構15包括一個H型諧振器151和四個貼片輻射單元152、153、154、155，所述四個貼片輻射單元152、153、154、155分別與H型諧振器151的四個端處耦合連接，該H型諧振器151的四個端處進行了彎折是為了更好地給貼片輻射單元饋電，通過適當地調節H型諧振器151的長度以及寬度，使其工作在諧振狀態;所述第二微帶結構12包括一個諧振器125和四個饋電結構，該四個饋電結構分別為第一饋電結構121、第二饋電結構122、第三饋電結構123、第四饋電結構124，該諧振器125工作于半波長模式，并與第三饋電結構123和第四饋電結構124平行放置，四個饋電結構與諧振器125能量傳輸通過縫隙耦合的方式實現，所述第一饋電結構121和第二饋電結構122為50歐姆饋電，所述第三饋電結構123和第四饋電結構124長約四分之一波導波長，該第三饋電結構123與第一饋電結構121垂直連接，該第四饋電結構124與第二饋電結構122垂直連接;上述縫隙結構14位于地13的中央，并與第二微帶結構12的諧振器125垂直，其整體大小通過仿真優化決定；由于所述第一微帶結構15的H型諧振器151與第二微帶結構12的諧振器125通過縫隙耦合，該H型諧振器151的上兩端與下兩端處形成天然的180度相差，使H型諧振器151不但有功分的功能還有巴倫的功能，同時，當天線共模激勵時，該第二微帶結構12的諧振器125中間橫截面處形成一個虛擬磁壁，電場無法通過，因此能量無法通過縫隙結構14耦合到H型諧振器151，使天線具有天然的高共模抑制特性;所述第一微帶結構15的H型諧振器151與第二微帶結構12的諧振器125構成了天線中的前兩階諧振器，四個貼片輻射單元152、153、154、155構成了第三階諧振器，因此本發明的差分濾波微帶陣列天線具有三階濾波特性。
[0032]整個差分濾波微帶陣列天線發射信號的工作方式是電磁差分信號從第一饋電結構121和第二饋電結構122饋電處輸入，能量耦合到諧振器125，接著由諧振器125通過縫隙結構14耦合到H型諧振器151，H型諧振器151再耦合到四個貼片輻射單元152、153、154、155，最后經由貼片輻射單元輻射出去，接收信號的方式則相反。
[0033]圖6是本實施例天線的ISllI和邊射方向增益仿真結果，Sllcc表示共模激勵的Sll參數，SI Idd表不差模激勵下的SI I參數。由圖可見，SI ICC基本為零，意味著共模激勵的信號基本全反射，天線具有優異的共模抑制特性。該天線差模激勵狀態下1dB反射損耗范圍為3.44GHz到3.56GHz，相對帶寬為3.4%。天線增益通帶十分平緩，由于采用陣列的形式，中心頻率處(3.5GHz)增益為9.2dBi，大大高于普通非陣列微帶天線。同時，不管是SIIdd參數曲線還是增益曲線，通帶和阻帶的過渡帶都十分陡峭，天線具有非常高的選擇性。
[0034]圖7和圖8分別是本實施例天線的中心頻率處H面主極化方向圖仿真結果以及E面方向圖仿真結果。H面交叉極化小于-80dB，因此H面方向圖只給出了主極化。由圖可見，天線H面主極化-3dB主瓣寬度約為50度，前后比約為HdB13E面交叉極化小于-33dB，主極化-3dB主瓣寬度同樣約為50度，前后比約為17dB。可見，天線具有良好的方向圖輻射特性。
[0035]以上所述實施例只為本發明之較佳實施例，并非以此限制本發明的實施范圍，故凡依本發明之形狀、原理所作的變化，均應涵蓋在本發明的保護范圍內。
【主權項】
1.一種具有高共模抑制的差分濾波微帶陣列天線，其特征在于:包括兩塊上下疊置的板狀電介質基板，分別為第一基板和第二基板，所述第一基板的上表面金屬箔形成有第一微帶結構，所述第二基板的下表面金屬箔形成有第二微帶結構，該第一基板和第二基板的接觸面金屬箔形成為地，且在地中挖槽而形成有縫隙結構;所述第一微帶結構包括一個H型諧振器和四個貼片輻射單元，所述四個貼片輻射單元分別與H型諧振器的四個端處耦合連接;所述第二微帶結構包括一個諧振器和四個饋電結構，該四個饋電結構分別為第一饋電結構、第二饋電結構、第三饋電結構、第四饋電結構，該諧振器工作于半波長模式，并與第三饋電結構和第四饋電結構平行放置，四個饋電結構與諧振器能量傳輸通過縫隙耦合的方式實現，該第三饋電結構與第一饋電結構垂直連接，該第四饋電結構與第二饋電結構垂直連接;上述縫隙結構位于地的中央，并與第二微帶結構的諧振器垂直;所述第一微帶結構的H型諧振器與第二微帶結構的諧振器通過縫隙耦合，該H型諧振器的上兩端與下兩端處形成天然的180度相差，使H型諧振器不但有功分的功能還有巴倫的功能。2.根據權利要求1所述的一種具有高共模抑制的差分濾波微帶陣列天線，其特征在于:所述第一微帶結構的H型諧振器與第二微帶結構的諧振器構成天線中的前兩階諧振器，四個貼片輻射單元構成第三階諧振器。3.根據權利要求1所述的一種具有高共模抑制的差分濾波微帶陣列天線，其特征在于:所述第一饋電結構和第二饋電結構為50歐姆饋電。4.根據權利要求1所述的一種具有高共模抑制的差分濾波微帶陣列天線，其特征在于:所述第三饋電結構和第四饋電結構長四分之一波導波長。5.根據權利要求1所述的一種具有高共模抑制的差分濾波微帶陣列天線，其特征在于:所述H型諧振器的四個端處分別進行彎折，以更好地給貼片輻射單元饋電。
【文檔編號】H01Q1/38GK105870619SQ201610333733
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月19日
【發明人】陳付昌, 胡豪濤
【申請人】華南理工大學