一種具有高選擇性和低交叉極化的雙極化濾波天線的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種具有高選擇性和低交叉極化的雙極化濾波天線，包括位于底部的金屬反射地板、位于中間的饋電貼片、位于頂部的寄生貼片以及第一、第二介質(zhì)基板，所述第一介質(zhì)基板的上表面印刷寄生貼片，所述饋電貼片印刷在第二介質(zhì)基板的上表面，還包括兩段正交耦合的饋電線，所述兩段饋電線印刷在第二介質(zhì)基板的下表面。本實(shí)用新型的饋電結(jié)構(gòu)可以在天線的通帶低頻段產(chǎn)生一個(gè)零點(diǎn)，同時(shí)所設(shè)計(jì)的寄生貼片在通帶高頻段產(chǎn)生一個(gè)零點(diǎn)，兩個(gè)零點(diǎn)為天線提供了很好的帶通濾波和頻率選擇性效果。
【專利說明】
一種具有高選擇性和低交叉極化的雙極化濾波天線
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型涉及無線移動(dòng)通信領(lǐng)域，具體涉及一種具有高選擇性和低交叉極化的 雙極化濾波天線。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著移動(dòng)通信的發(fā)展，在2G/3G/4G這樣的多頻多制式的通信系統(tǒng)中，多頻天線的 研究設(shè)計(jì)以及應(yīng)用成為必然。另外，雙極化是基站天線系統(tǒng)中的重要性能要求。因此多頻雙 極化天線陣列將擁有大量的需求。在雙頻陣列設(shè)計(jì)當(dāng)中，通常是將不同頻段的兩列陣列分 別放置來實(shí)現(xiàn)雙頻性能，這樣設(shè)計(jì)的話，兩個(gè)頻段之間的耦合是一個(gè)重要的問題，特別是當(dāng) 兩個(gè)工作頻段比較接近的時(shí)候，耦合影響會(huì)更大。盡管增加兩個(gè)子陣列之間的間距可以解 決耦合度的問題，但是這樣的話整個(gè)陣列的尺寸會(huì)變得很大。如果子陣列的方向圖具有一 定的帶外抑制效果的話，兩個(gè)子陣列之間的互耦將會(huì)大大減少，也就是說具有濾波特性的 天線陣元設(shè)計(jì)具有重要的意義。
[0003] 最近，有很多關(guān)于濾波天線的工作被展開。在這些濾波天線的設(shè)計(jì)當(dāng)中，最常用的 一種方法是將天線與濾波電路直接級(jí)聯(lián)。這種方法是將濾波器的最后一節(jié)諧振器用天線輻 射體代替，這樣的話需要額外的阻抗變換器或者優(yōu)化諧振器與天線之間的阻抗特性來實(shí)現(xiàn) 匹配。有很多性能很好的這類濾波天線被提出來，但是這種多諧振器的方式會(huì)帶來更大尺 寸和一定的插入損耗。為了減小這類濾波天線的尺寸，有些學(xué)者用缺陷地的方法和在輻射 體下方加入諧振器形成3D結(jié)構(gòu)的方法來實(shí)現(xiàn)小型化。另外也有學(xué)者融合濾波功分器和差分 濾波電路在天線的饋電網(wǎng)絡(luò)中來實(shí)現(xiàn)陣列小型化。
[0004]在以上的濾波天線設(shè)計(jì)中，天線的濾波性能都是通過將濾波電路融合到天線的饋 電網(wǎng)絡(luò)中得到的，因此，由額外的濾波電路帶來的插入損耗不可避免，這將直接影響天線的 增益和輻射效率。為了解決這個(gè)問題，一種印刷的定向環(huán)形濾波天線通過加載一個(gè)環(huán)形微 帶線實(shí)現(xiàn)了濾波性能，另一種寄生貼片濾波天線通過插入三個(gè)短路探針和一個(gè)U型縫隙而 得到良好的濾波性能。由于沒有額外的濾波電路，這兩種天線的增益性能沒有受到影響。但 是這兩種濾波天線都是單極化的，并且它們的結(jié)構(gòu)無法擴(kuò)展為一個(gè)雙極化的濾波天線。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)與不足，本實(shí)用新型提供一種具有高選擇性和低交 叉極化的雙極化濾波天線。
[0006] 本天線無需外加損耗電路就實(shí)現(xiàn)了帶通濾波特性，通帶邊緣陡峭，邊帶抑制明顯， 具有良好的頻率選擇性，在通帶內(nèi)有良好的平坦增益，并且該天線可以實(shí)現(xiàn)雙極化，具有良 好的極化隔離度和交叉極化比，滿足基站天線的基本要求。
[0007] 本實(shí)用新型如下技術(shù)方案：
[0008] -種具有高選擇性和低交叉極化的雙極化濾波天線，包括位于底部的金屬反射地 板、位于中間的饋電貼片、位于頂部的寄生貼片以及第一、第二介質(zhì)基板，所述第一介質(zhì)基 板的上表面印刷寄生貼片，所述饋電貼片印刷在第二介質(zhì)基板的上表面，還包括兩段正交 耦合的饋電線，所述兩段饋電線印刷在第二介質(zhì)基板的下表面。
[0009] 所述兩段正交耦合的饋電線具體為第一饋電線及第二饋電線，所述兩段饋電線均 為Η型。
[0010] 所述第二饋電線為Η型，其Η型的兩條豎線印刷在第二介質(zhì)基板的下表面，所述Η型 的中間橫線印刷在第二介質(zhì)基板的上表面，且與Η型的兩條豎線連接。
[0011]所述第一、第二饋電線由SMA接頭的內(nèi)芯直接饋電。
[0012] 所述第一及第二饋電線的等效長度為增益曲線上低頻輻射零點(diǎn)對(duì)應(yīng)波長的二分 之一。
[0013] 還包括環(huán)形縫隙，所述環(huán)形縫隙嵌入在饋電貼片內(nèi)，并關(guān)于饋電貼片中心點(diǎn)對(duì)稱， 所述第二饋電線的中間橫線位于環(huán)形縫隙內(nèi)。
[0014] 所述第二介質(zhì)基板與金屬反射地板距離為1mm。
[0015] 所述第一及第二饋電線均為階躍阻抗線的形式。
[0016] 第一饋電線和第二饋電線在天線的通帶低頻部分實(shí)現(xiàn)一個(gè)輻射零點(diǎn)，寄生貼片在 天線的通帶高頻部分實(shí)現(xiàn)另一個(gè)輻射零點(diǎn)。
[0017] 本實(shí)用新型的有益效果：
[0018] (1)無需額外的濾波電路，天線自身集成濾波特性和輻射特性，解決了傳統(tǒng)級(jí)聯(lián)型 的濾波天線帶來的插入損耗與額外尺寸的問題；
[0019] (2)天線通帶內(nèi)增益高，定向輻射性能好，方向圖穩(wěn)定，天線通帶外邊緣陡峭，帶外 抑制效果明顯，具有良好的頻率選擇特性；
[0020] (3)天線中使用的新型Η型饋電線饋電方式解決了濾波天線中單極化的問題，成功 實(shí)現(xiàn)了雙極化，并且在保證體積小和輻射性能良好的情況下實(shí)現(xiàn)了高的極化隔離度和低的 交叉極化；
[0021] (4)天線具有帶通濾波特性:通帶高頻和低頻的輻射零點(diǎn)都可以通過分別調(diào)節(jié)寄 生貼片和Η型饋電線的尺寸來控制；
[0022] (5)整個(gè)天線被設(shè)計(jì)成對(duì)稱結(jié)構(gòu)，以及兩段Η型饋電線距離地板的間距只有1mm，使 天線能夠?qū)崿F(xiàn)很低的交叉極化；
[0023] (6)饋電貼片和兩段Η型饋電線分別印刷在第二介質(zhì)板的上下面，大大減少了天線 的尺寸和加工難度。
【附圖說明】
[0024] 圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例中一種具有高選擇性和低交叉極化的雙極化濾波天線的 結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖2(a)是圖1中實(shí)施例的側(cè)視圖；
[0026] 圖2(b)是圖1中寄生貼片的俯視圖；
[0027] 圖2(c)是圖1中饋電貼片的俯視圖；
[0028] 圖2(d)是圖1中饋電網(wǎng)絡(luò)的俯視圖；
[0029] 圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例的增益仿真示意圖；
[0030] 圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例的等效二端口網(wǎng)絡(luò)；
[0031] 圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例等效電路在三種不同的長度Lml下的傳輸系數(shù)仿真結(jié)果 圖；
[0032] 圖6(a)是本實(shí)用新型實(shí)施例中直接饋電的天線結(jié)構(gòu)圖；
[0033] 圖6(b)是本實(shí)用新型實(shí)施例中耦合饋電的天線結(jié)構(gòu)圖；
[0034] 圖7是本實(shí)用新型實(shí)施例在圖6(a)及圖6(b)兩種不同饋電結(jié)構(gòu)下的增益結(jié)果對(duì)比 圖；
[0035] 圖8是本實(shí)用新型實(shí)施例在有無寄生貼片情況下的增益仿真結(jié)果對(duì)比圖；
[0036] 圖9(a)是本實(shí)用新型實(shí)施例中第一端口的反射系數(shù)Sn和增益曲線圖；
[0037] 圖9(b)是本實(shí)用新型實(shí)施例中第二端口的反射系數(shù)Sn和增益曲線圖；
[0038] 圖10是本實(shí)用新型實(shí)施例中兩個(gè)端口之間的隔離度；
[0039]圖11 (a)及圖11(b)分別是本實(shí)用新型實(shí)施例中第一端口在2.49GHz頻點(diǎn)下的E面 及Η面仿真與測(cè)試輻射方向圖；
[0040] 圖11(c)及圖11(d)分別是本實(shí)用新型實(shí)施例中第一端口在2.69GHz頻點(diǎn)下的Ε面 及Η面的仿真與測(cè)試輻射方向圖；
[0041] 圖12(a)及圖12(b)是本實(shí)用新型實(shí)施例中第二端口在2.49GHz頻點(diǎn)下的Ε面及Η面 的仿真與測(cè)試輻射方向圖；
[0042]圖12(c)及圖12(d)是本實(shí)用新型實(shí)施例中第二端口在2.69GHz頻點(diǎn)下的Ε面及Η面 的仿真與測(cè)試輻射方向圖；
[0043]圖13(a)是本實(shí)用新型實(shí)施例中饋電線與地板之間的距離h2在不同參數(shù)值時(shí)的反 射系數(shù)對(duì)比圖；
[0044] 圖13(b)是本實(shí)用新型實(shí)施例中饋電線與地板之間的距離h2在不同參數(shù)值時(shí)的增 益曲線對(duì)比圖；
[0045] 圖13(c)是本實(shí)用新型實(shí)施例中饋電線與地板之間的距離h2在不同參數(shù)值時(shí)的端 口隔離度對(duì)比圖；
[0046] 圖14(a)是本實(shí)用新型實(shí)施例中第一 Η型饋電線中間部分線寬w2在不同參數(shù)值時(shí) 的反射系數(shù)對(duì)比圖；
[0047] 圖14(b)是本實(shí)用新型實(shí)施例中第一 Η型饋電線中間部分線寬w2在不同參數(shù)值時(shí) 的增益曲線對(duì)比圖；
[0048] 圖14(c)是本實(shí)用新型實(shí)施例中第一 Η型饋電線中間部分線寬w2在不同參數(shù)值時(shí) 的隔離度對(duì)比圖；
[0049] 圖15(a)是本實(shí)用新型實(shí)施例中環(huán)形縫隙寬度s在不同參數(shù)值時(shí)的反射系數(shù)對(duì)比 圖；
[0050] 圖15(b)是本實(shí)用新型實(shí)施例中環(huán)形縫隙寬度s在不同參數(shù)值時(shí)的增益曲線對(duì)比 圖；
[0051] 圖16是本實(shí)用新型實(shí)施例中在不同帶寬下的反射系數(shù)和隔離度對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0052] 下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本實(shí)用新型的實(shí) 施方式不限于此。
[0053] 實(shí)施例
[0054] 圖1及圖2(a)-圖2(d)所示，一種具有高選擇性和低交叉極化的雙極化濾波天線， 無需外加的濾波電路，具有帶通濾波響應(yīng)，包括底部的金屬反射地板1，中間的饋電貼片2， 頂部的寄生貼片3以及兩條正交的Η型饋電線4、5。所述寄生貼片邊長為Pi，所述饋電貼片的 邊長為P 2,所述第一介質(zhì)基板9的上表面印刷寄生貼片，所述饋電貼片印刷在第二介質(zhì)基板 10的上表面，第一和第二介質(zhì)板的介電常數(shù)均是2.65,厚度均是1mm，邊長都用L表示。第一 和第二介質(zhì)板之間有一個(gè)高度為hi的空氣層，這樣設(shè)計(jì)可以增加天線的帶寬和增益性能。
[0055] 底部的金屬反射地板1與兩條正交的Η型饋電線有一點(diǎn)空氣間隙。
[0056]所述兩條正交耦合的Η型饋電線分別為第一饋電線4及第二饋電線5，Η型饋電線是 一個(gè)立體結(jié)構(gòu)，所述第二饋電線5為Η型，所述Η型饋電線的兩條豎線印刷在第二介質(zhì)基板的 下表面，所述Η型饋電線的中間橫線印刷在第二介質(zhì)基板的上表面，且與Η型的兩條豎線通 過金屬化過孔連接，這樣使得兩條正交耦合的饋電線不會(huì)交叉連接在一起，位于中間位置 的饋電貼片的中間部分嵌入一個(gè)環(huán)形縫隙6,所述環(huán)形縫隙的寬度為s，并關(guān)于饋電貼片中 心點(diǎn)對(duì)稱，所述第二饋電線5的中間橫線位于環(huán)形縫隙內(nèi)，這種設(shè)計(jì)方法可以減少空氣橋的 使用，使得天線的加工更加容易，并且使得兩個(gè)端口之間的隔離度得到提升，兩個(gè)端口分別 為第一端口及第二端口，其高低阻抗線分別用Wi、《 2及《3、W4表示。
[0057]為了得到更好的阻抗匹配，這種Η型饋電線被設(shè)計(jì)成階躍阻抗線的形式，第一、第 二饋電線由SMA接頭的內(nèi)芯7、8直接饋電，形成天線的雙極化效應(yīng)，兩個(gè)饋電點(diǎn)距離中心位 置分別是L4PL5。
[0058] 所述金屬反射地板的邊長為G。
[0059] 本實(shí)施例中的各個(gè)參數(shù)的具體值如表1所示
[0060] 表 1
[0061] 天線的參數(shù)值
[0062]
[0063]本實(shí)用新型主要包括兩條正交的Η型饋電線，一塊饋電貼片和一塊寄生貼片。兩條 正交的Η型饋電線耦合到貼片上形成天線的雙極化響應(yīng)。本實(shí)用新型的Η型饋電線可以在通 帶低頻段產(chǎn)生一個(gè)很好的滾降特性，而寄生貼片則可以在通帶的高頻段提供一個(gè)輻射零 點(diǎn)。這樣，該天線的兩個(gè)正交極化均能通過兩個(gè)輻射零點(diǎn)的引入實(shí)現(xiàn)很好的帶通濾波響應(yīng)。
[0064] 進(jìn)一步的，在饋電貼片上方加一個(gè)寄生貼片，可以在通帶的高頻部分產(chǎn)生一個(gè)濾 波零點(diǎn)，并且可以增加天線的帶寬和輻射增益，通過調(diào)節(jié)貼片天線的大小可以控制高頻零 點(diǎn)的位置，零點(diǎn)越靠近通帶，增益曲線的選擇性越好，越遠(yuǎn)離通帶則增益曲線的帶外抑制性 能越好。
[0065] 進(jìn)一步的，適當(dāng)?shù)目刂仆◣Ц哳l以及低頻部分的增益零點(diǎn)，則可以在增益曲線上 實(shí)現(xiàn)良好的帶通濾波響應(yīng)。
[0066] 進(jìn)一步的，將兩條Η型饋電線正交放置，可以實(shí)現(xiàn)貼片天線的雙極化性能，特別的， 將第二饋電線5設(shè)計(jì)呈立體結(jié)構(gòu)，使得兩段Η型饋電線不會(huì)交叉連接在一起，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè) 極化的獨(dú)立調(diào)節(jié)與控制，并且得到很好的極化隔離度。
[0067] 進(jìn)一步的，兩條Η型饋電線被設(shè)計(jì)成階躍阻抗線的形式，可以更好的實(shí)現(xiàn)天線的阻 抗匹配。
[0068] 進(jìn)一步的，兩條Η型饋電線分別由兩個(gè)SMA接頭的內(nèi)芯7、8直接饋電，饋電點(diǎn)的位置 分別距離兩段Η型饋電線的中心一段距離，通過調(diào)節(jié)這個(gè)距離可以改變天線的阻抗匹配性 能。
[0069] 進(jìn)一步的，兩條Η型饋電線和饋電貼片均印刷在第二介質(zhì)板的上下面，大大減少了 天線的尺寸和加工難度。
[0070] 進(jìn)一步的，整個(gè)天線被設(shè)計(jì)成對(duì)稱結(jié)構(gòu)，以及兩段Η型饋電線距離地板的間距只有 1_，使天線能夠得到很好的交叉極化比。
[0071] 為了解釋本應(yīng)用的原理和效果，下面詳細(xì)介紹了該雙極化濾波天線具體實(shí)施例的 工作原理，也給出了仿真和測(cè)量的結(jié)果。
[0072] 參閱圖3,本實(shí)用新型雙極化濾波天線具體實(shí)施例在兩個(gè)極化方向上均具有很好 的帶通濾波特性。其中，通帶低頻段的輻射零點(diǎn)是由Η型饋電線產(chǎn)生的，而通帶高頻段的輻 射零點(diǎn)是由寄生貼片的引入而得到的。兩個(gè)輻射零點(diǎn)的工作機(jī)理將在下面詳細(xì)解釋。
[0073]首先，基于濾波電路理論來研究具體實(shí)施例具有帶通濾波響應(yīng)的工作機(jī)理。本實(shí) 用新型雙極化濾波天線具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)類似于一個(gè)濾波器，圖4給出了相對(duì)應(yīng)的電路結(jié) 構(gòu)。圖4中可以看出，這個(gè)對(duì)應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)包括一個(gè)饋電線，兩個(gè)諧振器和一個(gè)輻射電阻。其 中饋電線由一個(gè)窄的高阻抗線和兩段靠近開路端的低阻抗線組成，一個(gè)輸入端口連接在高 阻抗線上并將其分為兩段，長度分別為L ml和Lm2。兩個(gè)諧振器和一個(gè)輻射電阻用來代替本實(shí) 用新型雙極化濾波天線具體實(shí)施例中的兩個(gè)貼片。為了研究該電路結(jié)構(gòu)的傳輸性能，將輻 射電阻用一個(gè)輸出端口來代替，這樣該電路結(jié)構(gòu)就相當(dāng)于一個(gè)二階帶通濾波器。圖5展示了 該二端口電路的傳輸系數(shù)仿真結(jié)果，從中可以看出該曲線展現(xiàn)了一個(gè)帶通濾波響應(yīng)效果， 并且有一個(gè)傳輸零點(diǎn)在通帶低頻處產(chǎn)生，進(jìn)一步提升了帶外抑制性能。
[0074] 為了研究這個(gè)通帶低頻處的傳輸零點(diǎn)，我們通過電路的阻抗特性來進(jìn)行分析研 究。圖4中，心表示輸入端口左邊饋電線的輸入感抗，由于傳輸零點(diǎn)在通帶之外，所以在傳輸 零點(diǎn)這個(gè)頻點(diǎn)上饋電線與諧振器之間的耦合非常弱，幾乎可以忽略不計(jì)，這樣的話Y:可以 用以下的式子來計(jì)算：
[0075]
[0076] 式中Θ = 0L表示饋電線的電長度。同樣的，輸入端口右邊的輸入感抗Y2可以這樣表 示：
[0077]
[0078] 這樣，饋電線整體的輸入感抗Yin可以表示為：
[0079] Yin = Yi+Y2 (3)
[0080] 當(dāng)Υιη為無窮大時(shí)，輸入端口的反射系數(shù)為1，這意味著信號(hào)被饋電網(wǎng)絡(luò)完全反射回 來，這樣就會(huì)有一個(gè)傳輸零點(diǎn)f TZ產(chǎn)生。根據(jù)式子(1)-(3)，傳輸零點(diǎn)fTZ與饋電線的長度直接 相關(guān)，因此可以通過調(diào)節(jié)饋電線的長度來控制傳輸零點(diǎn)的位置。相應(yīng)的仿真結(jié)果已經(jīng)在圖5 中驗(yàn)證，饋電線L ml的長度越長則傳輸零點(diǎn)的頻點(diǎn)越低。通過以上的分析可以推斷本實(shí)用新 型雙極化濾波天線具體實(shí)施例通帶低頻的輻射零點(diǎn)是由精心設(shè)計(jì)的Η型饋電線產(chǎn)生的。為 了更進(jìn)一步的驗(yàn)證這一結(jié)論，用饋電線耦合饋電和用探針直接給貼片饋電的兩種天線結(jié)構(gòu) 被設(shè)計(jì)對(duì)比。圖6(a)及圖6(b)展示了用饋電線耦合饋電和用探針直接饋電的兩種結(jié)構(gòu)對(duì)比 圖，圖7則展示了這兩種結(jié)構(gòu)的仿真增益曲線圖，圖中可以看出用饋電線耦合饋電時(shí)，在增 益曲線1.9GHz處產(chǎn)生了一個(gè)輻射零點(diǎn)，而用直接饋電的方法時(shí)，通帶低頻處就沒有輻射零 點(diǎn)了。并且，圖7中也可以看出通過改變饋電線的長度，可以調(diào)節(jié)通帶低頻輻射零點(diǎn)的頻率， 這與圖5中對(duì)應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)所展示的濾波響應(yīng)曲線一樣。值得一提的是，利用該Η型饋電線 產(chǎn)生輻射零點(diǎn)的方法對(duì)于通帶內(nèi)的增益特性沒有任何影響。
[0081] 本實(shí)用新型雙極化濾波天線具體實(shí)施例中，通帶高頻處的濾波零點(diǎn)也通過對(duì)比兩 種天線結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果來進(jìn)行研究分析。圖8展示了具有寄生貼片的雙極化濾波天線和沒 有寄生貼片只有一個(gè)貼片輻射時(shí)的雙極化濾波天線的增益曲線仿真對(duì)比圖。圖8的結(jié)果圖 中可以看到加載寄生貼片之后增益的通帶帶寬得到展寬，增益得到提升，并且增益曲線高 頻段有一個(gè)輻射零點(diǎn)，可以大大提高天線在高頻段的濾波作用。
[0082]為了進(jìn)一步說明天線的工作機(jī)理，本實(shí)用新型基于高頻電磁軟件HFSS對(duì)具體實(shí)施 例1中的重要參數(shù)進(jìn)行了仿真分析。
[0083] 首先對(duì)饋電線與地板之間的高度^進(jìn)行了仿真分析。圖13(a)-圖13(c)展示了三 種不同高度h2 = l，2,3mm時(shí)，具體實(shí)施例的反射系數(shù)，隔離度和增益性能。由于饋電線與地 板之間的高度h2對(duì)天線的輸入阻抗有很大的影響，所以圖13(a)中可以看出，在不同的高度 h 2情況下，通帶內(nèi)的反射系數(shù)變化很大，并且通帶外的反射系數(shù)也會(huì)有一定的變化，這將導(dǎo) 致增益曲線的帶外抑制效果發(fā)生影響，正如圖13(b)的增益曲線圖所示。圖13(c)中，具體實(shí) 施例的極化隔離度也隨著高度匕的變化而變化，1! 2越小則極化隔離度越好，這是因?yàn)楫?dāng)高度 h2越高時(shí)，探針就會(huì)引起更大交叉極化輻射，交叉極化的能量輻射到另一個(gè)端口導(dǎo)致兩個(gè) 端口的隔離度變差。
[0084] 然后，基于第一 Η型饋電線的影響在圖14(a)-圖14(c)中被分析，這里主要討論Η型 饋電線高阻抗線的寬度w 2的影響。圖14 (a)中可以看到，寬度w 2對(duì)雙極化濾波天線具體實(shí)施 例的反射系數(shù)影響較大，這也是因?yàn)棣宛侂娋€的尺寸直接影響?zhàn)侂娋€與貼片之間的耦合 強(qiáng)度，對(duì)輸入阻抗有很大的影響。同時(shí)，由于不同寬度《 2對(duì)帶內(nèi)的阻抗影響較大，所以通帶 內(nèi)的增益性能也會(huì)受到很大的影響，如圖14(b)所示。圖14(b)中也可以看到，不同的寬度 W2 會(huì)導(dǎo)致通帶低頻段的輻射零點(diǎn)發(fā)生偏移，這正與等式（1)-(3)所表述相符合。圖14(c)中，更 窄的饋電線寬度《2會(huì)導(dǎo)致更好的隔離度，這是因?yàn)榈谝?Η型饋電線寬度越窄則與第二Η型饋 電線的耦合區(qū)域越小，耦合強(qiáng)度也越小，這樣兩個(gè)極化之間的隔離度就會(huì)越好。由于加工精 度限制，本實(shí)用新型雙極化濾波天線具體實(shí)施例將《 2的寬度設(shè)定為〇. 2mm。
[0085] 基于第一 Η型饋電線的其他尺寸參數(shù)的影響也被分析討論，它們的變化也與等式 (1)-(3)-致，所以仿真結(jié)果圖沒有被放在這里。并且，基于第二Η型饋電線的參數(shù)也被仿真 分析，由于兩個(gè)饋電線的表現(xiàn)形式一致，故第二Η型饋電線的仿真分析圖也沒有給出。當(dāng)然， 除了表1中給出的具體參數(shù)值以外，基于此原理的其他參數(shù)值也可以被計(jì)算出來用于本實(shí) 用新型雙極化濾波天線的設(shè)計(jì)。
[0086] 饋電貼片與第二Η型饋電線之間的環(huán)形縫隙在不同寬度s時(shí)的反射系數(shù)仿真結(jié)果 如圖15(a)-圖15(b)所示。圖中可以看到，不同的寬度s對(duì)兩個(gè)極化的反射系數(shù)都有很大的 影響，寬度s在小于2 · 5mm時(shí)，s越寬則兩個(gè)極化的匹配性能越好，但當(dāng)s大于2 · 5mm時(shí)，兩個(gè)極 化的匹配性能就會(huì)比變差。仿真分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)環(huán)形縫隙寬度s為2.3_時(shí)為，兩個(gè)極化的匹配 帶寬正好可以覆蓋LTE(2.49-2.69GHz)通信頻段。基于不同環(huán)形縫隙的寬度s，對(duì)天線的其 他性能也進(jìn)行了仿真分析，發(fā)現(xiàn)它的改變對(duì)兩個(gè)極化之間的隔離度和天線的濾波特性幾乎 沒有影響。
[0087] 從濾波器設(shè)計(jì)角度來說，帶寬可控是一個(gè)非常重要的性能指標(biāo)。因?yàn)闊o線通信系 統(tǒng)中通常需要不同的帶寬，比如，3G WCDMA系統(tǒng)的工作頻段時(shí)1.92-2.17GHz，LTE系統(tǒng)的工 作頻段時(shí)2.49-2.69GHz。因此，本實(shí)用新型雙極化濾波天線的帶寬可控也是很有必要的。為 了驗(yàn)證本實(shí)用新型雙極化濾波天線具體實(shí)施例的帶寬可控性能，不同的參數(shù)值被優(yōu)化調(diào)節(jié) 去實(shí)現(xiàn)不同的帶寬。圖16展示了本實(shí)用新型雙極化濾波天線具體實(shí)施例在不同帶寬下的反 射系數(shù)和隔離度仿真曲線。圖16中可以看到在反射系數(shù)小于_15dB的條件下，該天線的帶寬 可最寬可以達(dá)到20%，并且通帶內(nèi)的隔離度大于33dB。因此，本實(shí)用新型雙極化濾波天線具 體實(shí)施例可用于不同的通信系統(tǒng)。
[0088]基于以上的天線工作原理以及參數(shù)值的分析討論，本實(shí)用新型雙極化濾波天線具 體實(shí)施例的設(shè)計(jì)步驟可以被歸納為以下四步。假定設(shè)計(jì)的工作頻段的中心頻率以及對(duì)應(yīng)的 波長為f〇和入〇。1)首先，初步設(shè)定饋電貼片、寄生貼片以及天線的整體高度為Ρι = 0.4λ〇，Ρ2 = 0.4λ〇,和h = 0.UQ。然后用一塊邊長為G = A〇的金屬板作為天線的地板。
[0089] 2)用等式（1)-(3)計(jì)算出對(duì)應(yīng)兩個(gè)極化的Η型饋電線的初始尺寸，然后仿真優(yōu)化Η 型饋電線的尺寸實(shí)現(xiàn)更好的阻抗匹配和濾波性能。
[0090] 3)在饋電貼片上插入一個(gè)環(huán)形縫隙來將第二Η型饋電線和饋電貼片分開。
[0091 ] 4)最后，優(yōu)化所設(shè)計(jì)的每個(gè)參數(shù)值實(shí)現(xiàn)想要的頻段和相應(yīng)的濾波特性。
[0092] 為了驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)步驟和工作原理，本實(shí)用新型針對(duì)LTE(2.49-2.69GHz)頻段設(shè) 計(jì)了一款雙極化濾波天線，并且進(jìn)行了加工測(cè)試。其中，仿真結(jié)果是通過高頻電磁軟件 ANSYS HFSS得到的，反射系數(shù)的測(cè)試結(jié)果是通過Agilent N5230A網(wǎng)絡(luò)分析儀得到的，而方 向圖的天線的增益曲線時(shí)由Satimo Startlab測(cè)試系統(tǒng)得到的。
[0093]圖9(a)及圖9(b)是本實(shí)用新型雙極化濾波天線具體實(shí)施例的仿真和測(cè)試的反射 系數(shù)與增益曲線結(jié)果圖。其中，圖9(a)是實(shí)施例在第一端口仿真和測(cè)試的反射系數(shù)與增益 曲線，從圖中可以看到，在Sn小于-15dB的情況下，端口 1測(cè)試的阻抗帶寬可以達(dá)到12.2 % (2.46-2.78GHz)，仿真的阻抗帶寬是10.1 % (2.44-2.70GHz)，這個(gè)小的差別是因?yàn)榧庸ず?實(shí)驗(yàn)的容錯(cuò)率導(dǎo)致的。從反射系數(shù)曲線上可以看到有兩個(gè)諧振模式，他們分別是由饋電貼 片和寄生貼片產(chǎn)生的。圖9(a)中第一端口的增益曲線表現(xiàn)出一個(gè)很好的帶通響應(yīng)效果，通 帶內(nèi)的平均增益約為9dBi，低頻段的帶外抑制效果可以達(dá)到40dB，這樣的抑制效果可以避 免本實(shí)施例所設(shè)計(jì)的LTE頻段與2G和3G通信系統(tǒng)的干擾。并且，由Η型饋電線和寄生貼片產(chǎn) 生的兩個(gè)輻射零點(diǎn)也在增益曲線上體現(xiàn)出來了，這兩個(gè)輻射零點(diǎn)大大提高了本實(shí)用新型雙 極化濾波天線的頻率選擇性。圖9(b)是實(shí)施例在第二端口仿真和測(cè)試的反射系數(shù)與增益曲 線，與第一端口的結(jié)果類似，第二端口在Sn小于-15dB的情況下，測(cè)試的阻抗帶寬為8.2% (2 · 49-2 · 70GHz )，通帶內(nèi)的平均增益為9dBi。
[0094]圖10是本實(shí)用新型雙極化濾波天線具體實(shí)施例的極化隔離度S21的仿真和測(cè)試結(jié) 果，可以看到整個(gè)通帶內(nèi)，兩個(gè)端口的隔離度都可以達(dá)到35dB，這樣的隔離度可以滿足多數(shù) 的通信系統(tǒng)。圖11 (a)_圖11(d)是第一端口在2.49GHz和2.69GHz的仿真和測(cè)試方向圖。從圖 11(a)-圖11(d)可以看出本實(shí)用新型雙極化濾波天線具體實(shí)施例在整個(gè)頻段內(nèi)的方向圖都 很穩(wěn)定。由于整個(gè)天線的結(jié)構(gòu)對(duì)稱設(shè)計(jì)，并且饋電線離地板的高度很小，天線的交叉極化低 于-29dB。該天線測(cè)試的前后比可以達(dá)到18dB。圖12(a)-圖12(d)是本實(shí)用新型雙極化濾波 天線具體實(shí)施例的第二端口在2.49GHz和2.69GHz的仿真和測(cè)試方向圖，其表現(xiàn)出來的效果 與第一端口基本一致。
[0095]總之，本實(shí)用新型雙極化濾波天線針對(duì)當(dāng)前的實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)出了很好的濾波效果 和很低的交叉極化比。天線的工作機(jī)理在濾波器理論基礎(chǔ)上被深入的研究，通過Η型饋電線 和寄生貼片的設(shè)計(jì)可以在天線的通帶兩側(cè)各實(shí)現(xiàn)一個(gè)輻射零點(diǎn)。這兩個(gè)輻射零點(diǎn)提供了一 個(gè)很好的頻率選擇性和高達(dá)40dB的帶外抑制效果。由于整個(gè)天線沒有額外的濾波電路所引 入的插入損耗，天線的輻射性能和輻射效率都很好，其中通帶內(nèi)的平均增益可以達(dá)到9dBi 左右，交叉極化比可以達(dá)到29dB，兩個(gè)端口之間的極化隔離度可以達(dá)到35dB。值得一提的 是，該實(shí)用新型具體實(shí)施例所提出的應(yīng)用于LTE頻段的雙極化濾波天線在DCS/WCDMA頻段實(shí) 現(xiàn)了一個(gè)很高的抑制，因此該實(shí)施例可以用來消除2G/3G/4G系統(tǒng)中多頻天線陣列的不同頻 陣子之間的互耦影響。
[0096]上述實(shí)施例為本實(shí)用新型較佳的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受所述 實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替 代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種具有高選擇性和低交叉極化的雙極化濾波天線，包括位于底部的金屬反射地 板、位于中間的饋電貼片、位于頂部的寄生貼片以及第一、第二介質(zhì)基板，所述第一介質(zhì)基 板的上表面印刷寄生貼片，所述饋電貼片印刷在第二介質(zhì)基板的上表面，其特征在于，還包 括兩條正交耦合的饋電線，所述兩條正交耦合的饋電線印刷在第二介質(zhì)基板的下表面。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙極化濾波天線，其特征在于，所述兩條正交耦合的饋電線具 體為第一饋電線及第二饋電線，所述兩條饋電線均為Η型。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙極化濾波天線，其特征在于，所述第二饋電線為Η型，其Η型 的兩條豎線印刷在第二介質(zhì)基板的下表面，所述Η型的中間橫線印刷在第二介質(zhì)基板的上 表面，且與Η型的兩條豎線連接。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙極化濾波天線，其特征在于，所述第一、第二饋電線由SMA接 頭的內(nèi)芯直接饋電。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙極化濾波天線，其特征在于，所述第一及第二饋電線的等效 長度為增益曲線上低頻輻射零點(diǎn)對(duì)應(yīng)波長的二分之一。6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙極化濾波天線，其特征在于，還包括環(huán)形縫隙，所述環(huán)形縫 隙嵌入在饋電貼片內(nèi)，并關(guān)于饋電貼片中心點(diǎn)對(duì)稱，第二饋電線的中間橫線位于環(huán)形縫隙 內(nèi)。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙極化濾波天線，其特征在于，所述第二介質(zhì)基板與金屬反射 地板距離為1mm。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙極化濾波天線，其特征在于，第一及第二饋電線均為階躍阻 抗線的形式。
【文檔編號(hào)】H01Q1/38GK205621854SQ201620283861
【公開日】2016年10月5日
【申請(qǐng)日】2016年4月6日
【發(fā)明人】章秀銀, 段文, 潘詠梅
【申請(qǐng)人】華南理工大學(xué)