滤波天线模块及设计方法

技术领域

本发明涉及天线设计技术领域，具体涉及一种滤波天线模块及设计方法。

背景技术

传统无线通信系统中的天线模块在处理射频信号时常常会面临各种干扰和噪声，如多径干扰、共信道干扰和频率选择性衰落等。这些干扰和噪声对通信质量造成了严重影响，导致通信性能下降，为了解决这一问题，滤波天线应运而生。滤波天线模块是无线通信设备中至关重要的组成部分，它通过滤波技术实现对射频信号的频谱控制，以及通过天线进行信号的辐射和接收。

在无线通信系统中，天线的设计对系统性能至关重要，传统天线设计中，高选择性、高增益以及宽阻带滤波的要求通常需要独立的组件，这导致了系统复杂性的增加和占用空间的问题。对于滤波天线，目前的解决方案往往需要在天线和滤波器之间添加连接，从而增加了信号损耗和不稳定性的风险，而且传统的滤波天线设计中采用级联的方式会导致整体尺寸较大且多个独立器件会增加系统的复杂性。

为了克服传统设计的局限性，有需求提供一种高度集成的天线系统，能够同时满足高选择性、高增益以及宽阻带滤波的要求，从而在减小系统占用空间的同时提供卓越的性能。在相关技术中，公布号为CN114899585A的专利申请中是以滤波器电路为基础实现滤波天线的一体化设计，并引入交叉耦合能够实现极高的通带选择性，其次还有谐波抑制效果，抑制高端的增益，但该方案中的通带选择性相对较低且无高次谐波抑制效果，会对天线的辐射效益及信号传输造成干扰。公布号为CN108011161A的专利申请提出的是一种低通滤波器，采用电磁场带隙结构(Electromagnetic Band Gap，EBG)，且低通滤波器的矩形系数相对较低，单一滤波器设计无法实现辐射效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于如何在减小系统占用空间的同时使得天线具有优良的性能。

本发明通过以下技术手段解决上述技术问题的：

本发明提出了一种滤波天线模块，所述滤波天线模块包括介质板、金属地和介质层，所述金属地位于所述介质板和所述介质层之间，所述介质板远离所述金属地的一面布置有滤波器，所述金属地中设有缝隙，所述介质层靠近所述金属地的一面布置有寄生单元，在所述滤波器中最后一阶谐振器采用天线，且各阶谐振器的耦合部分设置马刺线。

进一步地，所述滤波器包括依次布置的第一阶谐振器、第二阶谐振器、第三阶谐振器、第四阶谐振器以及第五阶谐振器，所述第一阶谐振器连接有馈电口，所述第五阶谐振器为天线；

所述第二阶谐振器和所述第四阶谐振器之间设置耦合段，相邻谐振器的耦合端以及所述耦合段中设置有马刺线。

进一步地，所述馈电口的第一部分与所述第一阶谐振器连接，所述馈电口的第二部分远离所述第一谐振器设置，第一部分的尺寸小于第二部分，所述第一部分的宽度满足50Ohm特性阻抗。

进一步地，所述缝隙为矩形缝隙且所述第五阶谐振器的馈电线末端超过所述矩形缝隙半个线宽，所述矩形缝隙沿馈电线两侧对称设置。

进一步地，所述马刺线采用L型马刺线，所述马刺线的一端贯穿所在耦合端并与相邻谐振器耦合段形成Z型连通通道。

进一步地，所述介质板和所述金属地上均开设有用于安装尼龙柱的安装孔。

进一步地，所述寄生单元位于所述缝隙的正下方，且所述缝隙与所述寄生单元之间的距离小于λ/4，λ为波长。

进一步地，所述耦合段为长度为λ/2的枝节，当f>f

进一步地，用于制备所述介质板和所述介质层的介质材料使用Rogers5880，介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。

此外，本发明还提出了一种滤波天线模块的设计方法，所述方法包括：

计算路仿无寄生效应影响时所述滤波器的理想参数，并通过仿验证确定所述滤波器的实际参数；

计算所述寄生单元和所述缝隙的尺寸；

根据所述滤波器的实际参数、所述寄生单元的尺寸和所述缝隙的尺寸，设置如上所述的滤波天线模块。

本发明的优点在于：

(1)本发明通过将天线作为滤波器中最后一阶谐振器来辐射信号实现一体化设计从而避免连接端口阻抗不匹配造成额外的能量损耗；并在滤波器中各阶谐振器的耦合部分引入马刺线实现奇偶模相速度平衡达到抑制谐波的效果，从而抑制高端谐波的远场辐射增益，避免对通带性能造成干扰；由此形成高增益、宽阻带的滤波器，并将该滤波器集成在单一天线结构中，从而提供了更简化的系统设计和更卓越的性能；并且通过在金属地中引入缝隙来辐射信号，并在辐射的上方引入寄生单元和介质层，进一步扩宽带宽并提高增益；本发明通过优化天线结构以及滤波器的布局，能够在满足通信系统对天线性能的要求的同时，减小了系统的体积占用和信号损耗。

(2)本发明在第二阶谐振器和第四阶谐振器之间设置耦合段，引入交叉耦合形成180°信号传输相位差在通带两侧引入传输零点提高通带的选择性，在一体化的设计时能够有效的控制增益的矩形系数。

(3)本发明中通过将馈电口的第一部分的尺寸设置为小于第二部分的尺寸，当馈电口与谐振器连接的部分越窄越便于实现馈电所需群时延，因此可以更好的实现良好的阻抗匹配的实现馈电口群时延的要求，匹配输入信号和滤波电路。

(4)通过在介质板四周打孔预留尼龙柱支撑位置，控制寄生单元与缝隙的位置和高度，实现良好的阻抗匹配。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是本发明一实施例提出的一种滤波天线模块的结构爆炸图；

图2是本发明一实施例提出的一种滤波天线模块的装配示意图；

图3是本发明一实施例中滤波天线模块设计的等效电路图；

图4是本发明一实施例中枝节的模型图；

图5是本发明一实施例中枝节的等效电路图；

图6是本发明一实施例中在谐振器的耦合端引入L型的马刺线的结构示意图；

图7是本发明一实施例中在谐振器的耦合端引入L型的马刺线的等效电路图；

图8是本发明一实施例中滤波天线通带内的S参数和增益曲线图；

图9是本发明一实施例中滤波天线通带内辐射效率图；

图10是本发明一实施例中滤波天线谐波抑制效果图；

图11是本发明一实施例中滤波天线的多个频点方向图，其中(a)为6.7GHz时E面的方向图，(b)为6.7GHz时H面的方向图，(a)为6.8GHz时E面的方向图，(b)为6.8GHz时H面的方向图，(a)为6.9GHz时E面的方向图，(b)为6.9GHz时H面的方向图；

图12是本发明一实施例提出的一种滤波天线模块的设计流程示意图；

图13是本发明一实施例中滤波器路仿结果图；

图14是本发明一实施例中应用于滤波天线设计的实物图。

图中：

1-介质板，2-介质层，3-金属地，4-安装孔；

10-馈电口，11-第一阶谐振器，22-第二阶谐振器，24-耦合段，33-第三阶谐振器，44-第四阶谐振器，551-第五阶谐振器，552-缝隙，66-寄生单元，77-马刺线。

具体实施方式

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，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，本领域普通技术人员在没有作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。

如图1至图3所示，本发明一实施例公开了一种滤波天线模块，所述滤波天线模块包括介质板1、金属地3和介质层2，所述金属地3位于所述介质板1和所述介质层2之间，所述介质板1远离所述金属地3的一面布置有滤波器，所述金属地3中设有缝隙552，所述介质层2靠近所述金属地3的一面布置有寄生单元66，在所述滤波器中最后一阶谐振器采用天线，且各阶谐振器的耦合部分设置马刺线77。

需要说明的是，由于传统级联的滤波天线是两个独立的器件，包括端口的尺寸要一致即保证阻抗相同才能最大程度的降低信号传输的能量损耗，且两个器件必须独立互不干扰，也就是需要占用独立的空间，在射频器件的设计中由于感性以及容性耦合的存在，需要对单一器件周围隔离，所以需要占用一块设计空间，导致总体占用尺寸变大。而本实施例设计一种高增益、宽阻带的滤波器，并通过将天线作为滤波器中最后一阶谐振器来辐射信号实现一体化设计从而避免连接端口阻抗不匹配造成额外的能量损耗，采用耦合的方式馈电，能够通过调节相互之间的耦合从而达到匹配，无需受限于特定的阻抗值匹配，其次一体化设计总体看来类似于单个独立的器件一样，不需要额外的空间单独放置器件，所以会缩小系统的体积占用；并在滤波器中各阶谐振器的耦合部分引入马刺线实现奇偶模相速度平衡达到抑制谐波的效果，从而抑制高端谐波的远场辐射增益，避免对通带性能造成干扰；将该滤波器集成在单一天线结构中，从而提供了更简化的系统设计和更卓越的性能。并且通过在金属地中引入缝隙来辐射信号，并在辐射的上方引入寄生单元和介质层，进一步扩宽带宽并提高增益。本实施例通过优化天线结构以及滤波器的布局，能够在满足通信系统对天线性能的要求的同时，减小了系统的体积占用和信号损耗。

在一实施例中，所述滤波器包括依次布置的第一阶谐振器11、第二阶谐振器22、第三阶谐振器33、第四阶谐振器44以及第五阶谐振器551，所述第一阶谐振器11连接有馈电口10，所述第五阶谐振器551为天线；

所述第二阶谐振器22和所述第四阶谐振器44之间设置耦合段24，相邻谐振器的耦合端以及所述耦合段24中设置有马刺线77。

本实施例在各阶谐振器的耦合端引入马刺线77后由于额外枝节的存在，会根据马刺线77的尺寸在高频不同频点处产生传输零点，吸收传输的信号，进一步抑制高次谐波。并且在第二阶谐振器22和第四阶谐振器44之间引入交叉耦合段24形成180°信号传输相位差在通带两侧引入传输零点提高通带的选择性，在一体化的设计时能够有效的控制增益的矩形系数。

进一步地，交叉耦合段24为长度为λ/2的枝节，当f>f

表1滤波器信号传输通路相位变化

本实施例为增强通带选择性使用交叉耦合在通带两侧引入传输零点，表现为在第二阶谐振器22和第四阶谐振器44之间通过长度为的枝节连接，枝节的模型和等效电路分别如图4和图5所示，从枝节的模型图在大于或小于中心频率的位置其电磁特性会变化，形成容性或者感性的交叉耦合，从而形成180°相位差的信号传输回路，能够引入传输零点增强通带选择特性；枝节的等效电路中，单个谐振器等效成电容电感并联接地，谐振器之间通过感性耦合，采用电感等效，交叉耦合在不同频点会改变特性故而用电容电感串联等效。

在一实施例中，所述馈电口10的第一部分与所述第一阶谐振器11连接，所述馈电口10的第二部分远离所述第一谐振器设置，第一部分的尺寸小于第二部分，所述第一部分的宽度满足50Ohm特性阻抗。

具体地，如图2所示，所述馈电口10的第一部分的长度和宽度为第二部分的长度和宽度的一半，可以通过对第一部分削去原本的一半得到，馈电口10与谐振器连接的部分越窄越便于实现馈电所需群时延，本实施例所设计的馈电口10的宽度一侧即馈电口10的第二部分满足50Ohm特性阻抗，一侧削去一部分连接滤波的第一阶谐振器11，能够更好的满足馈电所需群时延的条件，保证信号完整的输入，实现良好的阻抗匹配。

在一实施例中，如图2所示，所述缝隙552为矩形缝隙且所述第五阶谐振器551的馈电线末端超过所述矩形缝隙半个线宽，所述矩形缝隙沿馈电线两侧对称设置。

需要说明的是，本实施例通过对最后一阶谐振器所在地面开槽引入矩形缝隙辐射信号，并在辐射的上方引入矩形贴片即寄生单元66和介质层2能够进一步扩宽带宽并提高增益。

在一实施例中，所述寄生单元66位于所述缝隙552的正下方，且所述缝隙552与所述寄生单元66之间的距离小于λ/4，λ为波长。

需要说明的是，将滤波器的最后一阶谐振器结合矩形缝隙实现辐射效果即用天线作为滤波器的最后一阶谐振器实现一体化的设计，在缝隙552的下方距h2的位置放置寄生贴片和介质层2，通过调节缝隙552、的大小和寄生贴片、的尺寸实现中心频率的调控。将第五阶谐振器551和缝隙552形成的电流传输回路长度设置为大概在半个波长左右，寄生单元66的尺寸也在半个波长左右就能实现最有调控。

进一步地，h2取值略小于四分之一波长，能够更好的实现阻抗匹配以及获得更好的辐射增益。

进一步地，本实施例经软件对矩形缝隙和寄生单元66的尺寸进行优化，矩形缝隙的尺寸为13*1mm，寄生贴片的尺寸为11.5*22mm，这个尺寸能够实现更好的阻抗匹配和辐射增益。

在一实施例中，所述介质板1、所述金属地3和所述介质层2上均开设有用于安装尼龙柱的安装孔4。

本实施例通过在介质板1四周打孔(可为圆孔)预留尼龙柱支撑位置，控制寄生单元66与缝隙552的位置和高度，将高度控制在大概略小于四分之一波长的程度，经过软件优化获取合适的值，在特定的高度实现更宽的阻抗带宽以及辐射效果，从而实现良好的阻抗匹配。

在一实施例中，所述马刺线77采用L型马刺线77，所述马刺线77的一端贯穿所在耦合端并与相邻谐振器耦合段24形成Z型连通通道。

具体地，为实现宽阻带的抑制特性，在谐振器的耦合端引入L型的马刺线77实现奇偶模线速度平衡从而抑制高端谐波，具体结构和等效电路分别如图6和图7所示。其中，R12为微带线辐射效应与介质损耗产生的等效电阻，l12为引入耦合段24的槽线附加分支的等效电感，c12为谐振器耦合与槽线处间隙产生的等效电容。因此，通过调整槽线长度和间隙的值，可以适当调整结构的谐振频率和电阻响应的衰减程度。

本实施例通过将马刺线77的结构设置为类似于L型，宽度和长度会影响高频处传输零点的位置，从而实现高次谐波的抑制。

在一实施例中，用于制备所述介质板1和所述介质层2的介质材料使用Rogers5880，介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。

需要说明的是，该滤波器的整体尺寸为42x40x7.6mm，实物图如图14所示，本实施例使用低介电常数材料作为介质层2更便于调节通带内回波损耗，且5880材料损耗角低能够更好的实现信号传输。

需要说明的是，本实施例设计的滤波天线模块的等效电路图如图3所示，通过利用HFSS软件搭建整体模型并优化参数，经由场仿优化后得第一阶谐振器11枝节长度为7.6mm，第二阶谐振器22枝节长度为7.55mm，第三阶谐振器33的枝节长度为7.46mm，交叉耦合24枝节长度为16.4mm，介质层2和介质板1之间的间距为5.3mm。

图8是滤波天线模块通带内的S参数和增益曲线图，由图8可以看出，带内增益最高点能够达到8.4dBi，带内驻波大于14dB，带外分别存在两个辐射零点。

图9是滤波天线模块的通带内辐射效率图，由图9可以看出通带内辐射效率≥90％。

图10是滤波天线谐波抑制效果图，由图10可以很明显看出，高端增益抑制能够在3.9以内距最高点增益抑制达到13.3dBi。

图11是滤波天线的多个频点方向图的多个频点E面和H面的方向图，由图11可以看出，在6.7GHz、6.8GHz、6.9GHz处能够实现良好的辐射方向，且主极化大于交叉极化25dBi以上。

本实施例所设计的一种高选择性、高增益、宽阻带滤波天线一体化设计，通过在单一天线结构中集成滤波器和辐射元件的功能，有效地改善了通信系统的性能和稳定性。可以应用于6G通信系统，物联网连接，智能交通系统，高速数据传输等场景，在无线通信、雷达系统等领域具有广泛的应用前景。通过提高通信质量、扩大覆盖范围和降低干扰，来推动毫米波通信的进一步发展，并促进更多创新应用的实现。

如图12所示，本发明第二实施例公开了一种滤波天线模块的设计方法，用于对上述实施例一公开的滤波天线模块进行设计，包括以下步骤：

S1、计算路仿无寄生效应影响时所述滤波器的理想参数，并通过仿验证确定所述滤波器的实际参数；

S2、计算所述寄生单元和所述缝隙的尺寸；

S3、根据所述滤波器的实际参数、所述寄生单元的尺寸和所述缝隙的尺寸，设置如上所述的滤波天线模块。

具体地，本实施例根据公式(1-4)结合CST软件决定拓扑结构并计算理论群时延和谐振器的耦合系数，然后通过ADS软件对滤波器路仿验证电路的可行性，路仿结果如图13所示。

其中，Q

具体地，通过调整槽线长度和间隙的值，可以适当调整结构的谐振频率和电阻响应的衰减程度，其中电路参数R12、c12、l12可由公式(7-9)计算：

其中，R12,l12,c12表示谐振器耦合等效的电阻、电感、电容；Z

本实施例通过软件仿真优化确定滤波天线的设计参数，并按照参数构建如上述实施例一设计的滤波天线模块。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。