一种能抑制高频谐波的滤波天线

摘要

本发明公开了一种能抑制高频谐波的滤波天线，包括介质板、阶梯阻抗谐振器、阶梯阻抗对称振子、低通滤波器以及馈电单元，阶梯阻抗谐振器和阶梯阻抗对称振子均设置在介质板的顶层，阶梯阻抗谐振器靠近阶梯阻抗对称振子，一起组成天线单元；低通滤波器的上导体设置在介质板的顶层，并与阶梯阻抗对称振子的左臂相接，下导体设置在介质板的底层，并通过一个过孔与阶梯阻抗对称振子的右臂相接；所述馈电单元的上导体设置在介质板的顶层，并与低通滤波器的上导体相接，下导体设置在介质板的底层，并与低通滤波器的下导体相接，馈电单元的上导体在介质板底层上的投影位于下导体中心处。本发明不仅具有高矩形度的特点，而且能有效地抑制有害谐波。

权利要求

1.一种能抑制高频谐波的滤波天线，包括介质板，其特征在于：还包括阶梯阻抗谐振器、阶梯阻抗对称振子、低通滤波器以及馈电单元，所述阶梯阻抗谐振器和阶梯阻抗对称振子均设置在介质板的顶层，阶梯阻抗谐振器靠近阶梯阻抗对称振子，一起组成天线单元；

所述低通滤波器的上导体设置在介质板的顶层，并与阶梯阻抗对称振子的左臂相接，低通滤波器的下导体设置在介质板的底层，并通过一个过孔与阶梯阻抗对称振子的右臂相接；

所述馈电单元的上导体设置在介质板的顶层，并与低通滤波器的上导体相接，馈电单元的下导体设置在介质板的底层，并与低通滤波器的下导体相接，馈电单元的上导体在介质板底层上的投影位于馈电单元的下导体中心处。

2.根据权利要求1所述的一种能抑制高频谐波的滤波天线，其特征在于：所述低通滤波器的上导体包括相连的第一带状微带线和第一直角三角形结构，所述低通滤波器的下导体包括相连的第二带状微带线和第二直角三角形结构，所述第一直角三角形结构与阶梯阻抗对称振子的左臂相接，所述第二直角三角形结构通过一个过孔与阶梯阻抗对称振子的右臂相接，所述第一带状微带线与第二带状微带线相互平行。

3.根据权利要求1所述的一种能抑制高频谐波的滤波天线，其特征在于：所述馈电单元的上导体的一端与低通滤波器的上导体相接，另一端位于介质板顶层的下边缘处，并与同轴线相接；所述馈电单元的下导体的一端与低通滤波器的下导体相接，另一端位于介质板底层的下边缘处。

4.根据权利要求3所述的一种能抑制高频谐波的滤波天线，其特征在于：所述同轴线为

50欧姆的同轴线。

5.根据权利要求1所述的一种能抑制高频谐波的滤波天线，其特征在于：所述馈电单元的上导体为矩形微带线。

6.根据权利要求1所述的一种能抑制高频谐波的滤波天线，其特征在于：所述馈电单元的下导体为渐变微带线。

7.根据权利要求6所述的一种能抑制高频谐波的滤波天线，其特征在于：所述渐变微带线为左右两边呈椭圆形渐变的微带线。

8.根据权利要求1所述的一种能抑制高频谐波的滤波天线，其特征在于：所述阶梯阻抗谐振器呈凹形状。

9.根据权利要求1所述的一种能抑制高频谐波的滤波天线，其特征在于：所述介质板采用厚度为0.8mm，介电常数为2.55的PCB板。

10.根据权利要求1所述的一种能抑制高频谐波的滤波天线，其特征在于：所述天线单元和低通滤波器的总面积为34mm×33mm。

说明书

一种能抑制高频谐波的滤波天线

技术领域

[0001] 本发明涉及一种滤波天线，尤其是一种能抑制高频谐波的滤波天线，属于无线移动通信领域。

背景技术

[0002] 随着无线通信技术的快速发展，射频微波器件要求在尺寸上更紧凑，各种多功能器件的发展被证明是解决这一问题的好办法，传统的滤波器和天线是两个独立的器件，在无线通信系统中是单独设计的，滤波天线是天线与滤波器的集成而具有两种器件的功能。

[0003] 最近几年有许多关于滤波天线的研究，文献[1]提出了一种滤波器和天线综合设计的方法；文献[2]-[4]综合出来的滤波天线具有良好的频率选择性；文献[5]通过引入短路过孔；文献[6]通过加入一个寄生单元让天线具有更好的矩形度。

[0004] 上述滤波天线虽然具有良好的滤波选择性，但它们无法抑制高次谐波，高次谐波的辐射会造成额外的功率损耗，而且产生信号干扰。

[0005] 参考文献：

[0006] [1]C.T.Chuang and S.J.Chung,“Synthesis and design of a new printed filtering antenna,”IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.59,no.3,pp.1036-1042,Mar.2011.

[0007] [2]W.-J.Wu,Y.-Z.Yin,S.-L.Zuo,Z.-Y.Zhang,and J.-J.Xie“, A new compact filter-antenna for modern wireless communication systems,”IEEE Antennas Wireless Propag.Lett..,vol.10,pp.1131-1134,2011.

[0008] [3]C.-T.Chuang and S.-J.Chung“Acompact printed filtering antenna using a ground-intruded coupled line resonator”,IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.59,no.10,pp.3630-3637,Oct.2011.

[0009] [4]C.-K.Lin and S.-J.Chung“Acompact filtering microstrip antenna with quasi-elliptic broadside antenna gain response”,IEEE Antennas Wireless Propag.Lett.,vol.10,pp.381-384,2011.

[0010] [5]S.W.Wong,T.G.Huang,C.X.Mao,Z.N.Chen,and Q.X.Chu“Planar filtering ultra-wideband(UWB)antenna with shorting pins”,IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.61,no.2,pp.948-953,Feb.2013.

[0011] [6]J.Wu,Z.Zhao,Z.Nie,and Q.Liu“, Aprinted unidirectional antenna with improved upper band-edge selectivity using a parasitic loop”,IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.63,no.4,pp.1832-1873,Apr.2015。

发明内容

[0012] 本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种能抑制高频谐波的滤波天线，该滤波天线不仅具有高矩形度的特点，而且能有效地抑制有害谐波。

[0013] 本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

[0014] 一种能抑制高频谐波的滤波天线，包括介质板、阶梯阻抗谐振器、阶梯阻抗对称振子、低通滤波器以及馈电单元，所述阶梯阻抗谐振器和阶梯阻抗对称振子均设置在介质板的顶层，阶梯阻抗谐振器靠近阶梯阻抗对称振子，一起组成天线单元；

[0015] 所述低通滤波器的上导体设置在介质板的顶层，并与阶梯阻抗对称振子的左臂相接，低通滤波器的下导体设置在介质板的底层，并通过一个过孔与阶梯阻抗对称振子的右臂相接；

[0016] 所述馈电单元的上导体设置在介质板的顶层，并与低通滤波器的上导体相接，馈电单元的下导体设置在介质板的底层，并与低通滤波器的下导体相接，馈电单元的上导体在介质板底层上的投影位于馈电单元的下导体中心处。

[0017] 作为一种优选方案，所述低通滤波器的上导体包括相连的第一带状微带线和第一直角三角形结构，所述低通滤波器的下导体包括相连的第二带状微带线和第二直角三角形结构，所述第一直角三角形结构与阶梯阻抗对称振子的左臂相接，所述第二直角三角形结构通过一个过孔与阶梯阻抗对称振子的右臂相接，所述第一带状微带线与第二带状微带线相互平行。

[0018] 作为一种优选方案，所述馈电单元的上导体的一端与低通滤波器的上导体相接，另一端位于介质板顶层的下边缘处，并与同轴线相接；所述馈电单元的下导体的一端与低通滤波器的下导体相接，另一端位于介质板底层的下边缘处。

[0019] 作为一种优选方案，所述同轴线为50欧姆的同轴线。

[0020] 作为一种优选方案，所述馈电单元的上导体为矩形微带线。

[0021] 作为一种优选方案，所述馈电单元的下导体为渐变微带线。

[0022] 作为一种优选方案，所述渐变微带线为左右两边呈椭圆形渐变的微带线。

[0023] 作为一种优选方案，所述阶梯阻抗谐振器呈凹形状。

[0024] 作为一种优选方案，所述介质板采用厚度为0.8mm，介电常数为2.55的PCB板。

[0025] 作为一种优选方案，所述天线单元和低通滤波器的总面积为34mm×33mm。

[0026] 本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

[0027] 1、本发明的滤波天线中，阶梯阻抗谐振器和阶梯阻抗对称振子设置在介质板的顶层，并组成天线单元，阶梯阻抗对称振子作为主辐射单元，可以将高次谐波往高频移，减少高次谐波对辐射的影响，而阶梯阻抗谐振器阶靠近阶梯阻抗对称振子，是一个寄生的阶梯阻抗谐振器，可以在高频阻带增加一个辐射零点，提高天线的选择性；此外，低通滤波器可以进一步消除谐波，使天线单元的高频阻带得到进一步的提高。

[0028] 2、本发明的滤波天线经过实验结果表明，有25％的分数带宽，在2.5GHz到3.3GHz的频率范围内回波损耗小于-10dB，并且在4.0GHz到14.0GHz的频率范围内没有谐波的辐射；同时，通带内的辐射增益大约为2.5dBi，比高频阻带的最大增益高出10.3dBi。

[0029] 3、本发明的滤波天线具有紧凑的结构、宽阻带和馈电简单的优点，可以在无线通信中有一系列的应用。

附图说明

[0030] 图1为本发明的滤波天线立体结构示意图。

[0031] 图2为本发明的滤波天线平面结构示意图。

[0032] 图3为图2所示结构中各个部分的物理量标示图。

[0033] 图4为本发明的滤波天线的回波损耗|S11|仿真与测试结果曲线图。

[0034] 图5为本发明的滤波天线的增益仿真与测试结果曲线图。

[0035] 图6为本发明的滤波天线在频率为2.9GHz时H面的辐射方向图。

[0036] 图7为本发明的滤波天线在频率为2.9GHz时E面的辐射方向图。

[0037] 其中，1-介质板，2-阶梯阻抗谐振器，3-阶梯阻抗对称振子，4-低通滤波器，5-馈电单元，6-第一带状微带线，7-第一直角三角形结构，8-第二带状微带线，9-第二直角三角形结构，10-过孔，11-矩形微带线，12-渐变微带线。

具体实施方式

[0038] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

[0039] 实施例1：

[0040] 如图1和图2所示，本实施例的滤波天线包括介质板1、阶梯阻抗谐振器2、阶梯阻抗对称振子3、低通滤波器4以及馈电单元5；

[0041] 所述介质板1采用厚度为0.8mm、介电常数为2.55的PCB板；

[0042] 所述阶梯阻抗谐振器2和阶梯阻抗对称振子3均设置在介质板1的顶层，阶梯阻抗谐振器2靠近阶梯阻抗对称振子3，一起组成天线单元；其中，所述阶梯阻抗对称振子3作为主辐射单元，可以将高次谐波往高频移，减少高次谐波对辐射的影响；所述阶梯阻抗谐振器2呈凹形状，是一个寄生的阶梯阻抗谐振器，可以在高频阻带增加一个辐射零点，提高天线的选择性；

[0043] 所述低通滤波器4的上导体设置在介质板1的顶层，下导体设置在介质板1的底层；其中，所述上导体包括相连的第一带状微带线6和第一直角三角形结构7，第一直角三角形结构7与阶梯阻抗对称振子3的左臂相接；所述下导体包括相连的第二带状微带线8和第二直角三角形结构9，所述第二直角三角形结构9通过一个过孔10与阶梯阻抗对称振子3的右臂相接，所述第一带状微带线6与第二带状微带线8相互平行；该低通滤波器4可以进一步消除谐波，使天线单元的高频阻带得到进一步的提高；

[0044] 所述天线单元和低通滤波器4的总面积为34mm×33mm，与传统的带有四分之一波长馈线的半波对称振子的尺寸相当；

[0045] 所述馈电单元5的上导体为矩形微带线11，其设置在介质板1的顶层，一端与低通滤波器4的上导体相接，另一端位于介质板1顶层的下边缘处，并与50欧姆的同轴线相接；所述馈电单元5的下导体为渐变微带线12，该渐变微带线12为左右两边呈椭圆形渐变的微带线，其设置在介质板1的底层，一端与低通滤波器4的下导体相接，另一端位于介质板1底层的下边缘处；矩形微带线11在介质板1底层上的投影位于渐变微带线12的中心处。

[0046] 本实施例的滤波天线中各个部分的物理量如图3所示，具体几何尺寸如下表1所示。

[0047]L1 L2 L3 L4 Ld1 Ld2 Lp1
2.5mm 3mm 6.5mm 2mm 8mm 8mm 6.5mm
Lp2 Lo Lf W1 W2 W3 W4
6.5mm 1.63mm 21mm 0.4mm 5mm 0.6mm 6.5mm
Wd1 Wd2 Wp1 Wp2 Wf Wg S
0.75mm 6mm 0.5mm 3.5mm 2.2mm 20mm 0.4mm

[0048] 表1滤波天线的几何尺寸

[0049] 本实施例的滤波天线的回波损耗|S11|仿真与测试结果如图4所示，从图中可以看到，仿真与测试结果吻合，本实施例的滤波天线有25％的分数带宽，在2.5GHz到3.3GHz的频率范围内|S11|<-10dB；仿真和实验结果都表明在4.0GHz到14.0GHz的频率范围内没有谐波的辐射。

[0050] 本实施例的滤波天线的Y轴正方向的增益仿真和测试结果如图5所示，从图中可以看到，通带内的辐射增益大约为2.5dBi，比高频阻带的最大增益高出10.3dBi；在4.5GHz出明显有一个辐射零点，这说明通过引入寄生的阶梯阻抗谐振器，滤波天线的上边带的矩形度得到很好的改善。

[0051] 本实施例的滤波天线在频率为2.9GHz时H面(YoZ面)和E面(XoZ平面)的辐射方向图分别如图6和图7所示，主极化与X轴方向平行，交叉极化与Y轴方向平行；从图6中可以看到，天线在H面的方向图是全向的，从图7中可以看到，在E面的方向图是一个“8”字形，而总的辐射方向图与传统的对称振子天线相似。

[0052] 综上所述，本发明的滤波天线中，寄生的阶梯阻抗谐振器产生的辐射零点可以提高天线的选择性，实验结果表明滤波天线的上阻带被扩展到14GHz，实现了27.5％的阻抗带宽，带内辐射增益比阻带最大增益高10.3dBi；实验结果也证明滤波天线有良好的特性，比如可用辐射频段较宽，宽阻带抑制；紧凑的结构、宽阻带和馈电简单的优点，可以使该滤波天线在无线通信中有一系列的应用。

[0053] 以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。