天线滤波结构

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别是涉及一种天线滤波结构。

背景技术

随着微波、毫米波相控阵天线的快速发展，低成本、高集成已逐渐成为其主要趋势。而随着电磁频谱资源的日益紧张，频分全双工相控阵面临着频谱效率十分有限的技术瓶颈，而Ku波段的发射频段14GHz~14.5GHz和接收频段10.7GHz~12.7GHz较为接近，同时工作时发射子阵对接收子阵会造成较强干扰。为了保证正常通信，接收子阵需要对其干扰进行有效抑制，现有技术中常考虑增加滤波结构，特别是低剖面平板相控阵天线，在这种多层微波板PCB设计中，射频前端在阵列的横向空间上非常有限，滤波设计性能很难达到最佳。

多层板设计中，很多传统的滤波结构一般采用具有带线的谐振线路，其横向尺寸大，很难实现小型化和高性能（低损耗和高抑制）需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有的滤波结构很难实现小型化的技术问题，提供一种天线滤波结构。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种天线滤波结构，包括基底以及谐振线路，所述基底包括依次堆叠设置的多个基板，所述基底上设置有贯穿各所述基板的信号过孔以及多个地孔，各所述地孔的中轴线均与所述信号过孔的中轴线平行，且各所述地孔的中轴线与所述信号过孔的中轴线之间的距离一致；

所述谐振线路设置在所述基底上并与所述信号过孔电连接。

根据本发明实施例的天线滤波结构，利用天线本身的过孔结构，设置信号过孔以及多个地孔，并使信号过孔与地孔之间形成类同轴结构，从而形成低通滤波结构。该天线滤波结构利用了天线本身垂直互联的纵向空间，且没有增加天线面或者射频面的设计尺寸，可实现小型化和高集成。

可选地，各所述基板之间相互平行，所述信号过孔的中轴线与各所述基板垂直。

可选地，相邻两个所述地孔的中轴线之间的距离一致。

可选地，所述地孔至少设置有4个。

可选地，所述信号过孔与所述地孔均为金属过孔。

可选地，所述谐振线路包括开路枝节，所述开路枝节设置在任意两个所述基板之间并与所述信号过孔电连接。

可选地，所述开路枝节设置有多个，多个所述开路枝节沿各所述基板的堆叠方向依次设置在所述基底上，相邻两个所述开路枝节之间设置有至少一个所述基板。

可选地，所述开路枝节的最小线宽为0.125mm。

可选地，各所述基板上对应所述信号过孔的位置均设置有一反焊盘。

可选地，所述天线滤波结构还包括射频端线路以及天线端线路，所述射频端线路以及天线端线路分别与所述信号过孔电连接，所述谐振线路沿各所述基板的堆叠方向位于所述射频端线路与所述天线端线路之间。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的天线滤波结构的示意图；

图2是本发明一实施例提供的天线滤波结构的另一角度的示意图；

图3是图1的天线滤波结构的分布参数示意图；

图4是图1的天线滤波结构的原理图；

图5是图1的天线滤波结构的仿真示意图。

说明书中的附图标记如下：

1、基底；11、基板；12、信号过孔；13、地孔；14、反焊盘；

2、谐振线路；21、开路枝节；

3、射频端线路；

4、天线端线路。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1至图5所示，本发明实施例提供的天线滤波结构，包括基底1以及谐振线路2，所述基底1包括依次堆叠设置的多个基板11，所述基底1上设置有贯穿各所述基板11的信号过孔12以及多个地孔13，各所述地孔13的中轴线均与所述信号过孔12的中轴线平行，且各所述地孔13的中轴线与所述信号过孔12的中轴线之间的距离一致。

所述谐振线路2设置在所述基底1上并与所述信号过孔12电连接。

本发明实施例提供的天线滤波结构，利用天线本身的过孔结构，设置信号过孔12以及多个地孔13，并使信号过孔12与地孔13之间形成类同轴结构，从而形成低通滤波结构。该天线滤波结构利用了天线本身垂直互联的纵向空间，且没有增加天线面或者射频面的设计尺寸，可实现小型化和高集成。

在一实施例中，所述基底1采用国产低成本微波板材（型号为IT968G）的多层板工艺加工，其介电常数约为3.7。所述信号过孔12与所述地孔13均为金属过孔。所述信号过孔12和地孔13的孔径均采用为0.25mm。

在实际应用时，所述信号过孔12和地孔13的孔径可根据厚度及尺寸需求进行设计，优选地，所述信号过孔12和地孔13的孔径不小于0.2mm。

在一实施例中，如图1所示，各所述基板11之间相互平行，所述信号过孔12的中轴线与各所述基板11垂直。此时，各过孔（包括所述信号过孔12与各所述地孔13）均为金属化孔形式的垂直互联结。

在一实施例中，如图1及图2所示，相邻两个所述地孔13的中轴线之间的距离一致，以实现类同轴结构，方便阻抗换算。

在一实施例中，如图1及图2所示，所述地孔13设置有4个，以满足对应滤波需求。在图未示出的其他实施例中，所述地孔的个数可根据实际需求进行调整，所述地孔的个数可大于4个。

在一实施例中，如图1及图3所示，所述谐振线路2包括开路枝节21，所述开路枝节21设置在任意两个所述基板11之间并与所述信号过孔12电连接。所述谐振线路2采用开路枝节21作为传输线结构，可便于加工。在一具体实施例中，所述开路枝节21采用带状线结构。

在一实施例中，如图1所示，所述开路枝节21避开各所述地孔13设置，以避免对各所述地孔13进行干涉，影响滤波效果。

在一实施例中，如图1及图3所示，所述开路枝节21设置有三个，对应构成三阶滤波结构。三个所述开路枝节21沿各所述基板11的堆叠方向依次设置在所述基底1上，相邻两个所述开路枝节21之间设置有至少一个所述基板11，以避免相邻两个所述开路枝节21之间相互干涉。

在实际应用时，所述开路枝节21的个数也可根据实际需要进行调整，如1个、2个或4个等，对应地，将构成一阶、二阶或四阶滤波结构等。各所述开路枝节21沿各所述基板11的堆叠方向依次设置在所述基底1上，相邻两个所述开路枝节21之间设置有至少一个所述基板11。

在一实施例中，所述开路枝节21的最小线宽为0.125mm，以保证其传输性能。

在一实施例中，如图1所示，各所述基板11上对应所述信号过孔12的位置均设置有一反焊盘14，以防止所述信号过孔12与各线路之间短路。

在一实施例中，如图1所示，所述天线滤波结构还包括射频端线路3以及天线端线路4，所述射频端线路3以及天线端线路4分别与所述信号过孔12电连接，所述谐振线路2沿各所述基板11的堆叠方向位于所述射频端线路3与所述天线端线路4之间。优选地，所述射频端线路3以及天线端线路4均采用带状线结构。

通过设置所述射频端线路3以及天线端线路4，以实现所述天线滤波结构的信号传输。

在一实施例中，如图1所示，所述射频端线路3及所述天线端线路4分别设置在最外层的两个所述基板11的内侧。以图1所示方向为例，所述射频端线路3设置在最上层所述基板11的内侧（即最上层所述基板11朝向最下层所述基板11的一侧），所述天线端线路4设置在最下层所述基板11的内侧（即最下层所述基板11朝向最上层所述基板11的一侧），所述射频端线路3与所述天线端线路4之间采金属过孔（此处“金属过孔”仅指所述信号过孔12）形式进行电气连接，其传输性能会通过仿真软件进行匹配优化，尽量保持所述信号过孔12的等效特性阻抗Zv与天线端（所述天线端线路4与所述信号过孔12相接的一端）和射频端（所述射频端线路3与所述信号过孔12相接的一端）的特性阻抗Z0一致。

以设置有三个开路枝节21的三阶滤波结构为例，本发明实施例提供的天线滤波结构的设计过程如下：

（1）根据叠层信息，可以对具有多层基板11的基底1进行HFSS建模，确定所述射频端线路3与所述天线端线路4的端口特性阻抗Z0，由此可决定了所述射频端线路3与所述天线端线路4的线宽。

具体地，所述特性阻抗Z0与所述射频端线路3与所述天线端线路4的线宽呈反向变化。所述特性阻抗Z0越大，对应所述射频端线路3与所述天线端线路4的线宽越小；所述特性阻抗Z0越小，对应所述射频端线路3与所述天线端线路4的线宽越大。

（2）设计信号过孔12和其周围的四个地孔13，使信号过孔12和各地孔13之间形成类同轴结构，通过HFSS建模仿真分析其等效传输线电路，与此同时在ADS建立理想电路模型，得到此状态下的金属过孔的特性阻抗与所述信号过孔12的孔半径R0、地孔13的孔半径RG、反焊盘14的孔半径RAP及信号过孔12和地孔13的孔间距RDG（如图2所示）之间的关系。

根据同轴线理论，保持其他变量不变（RG、RA、RDG不变），信号过孔的孔径R0越大，则其特性阻抗越小；保持其他变量不变（R0、RG、RA不变），信号过孔12和地孔13的孔间距RDG越大，则其特性阻抗越大；保持其他变量不变（R0、RG、RDG不变），信号过孔12和地孔13的孔间距RAP越大，则其特性阻抗越大。

需要说明的是，在图2中，2’R0为所述信号过孔12的孔径（即2倍的信号过孔12的孔半径R0），2’RG为地孔13的孔径（即2倍的地孔13的孔半径RG）。

根据实际天线阵面空间和加工尺寸限制情况，分析金属过孔中各种变量的加工范围，仿真得出金属过孔的等效特性阻抗Zv的最优范围。金属过孔的长度与实际所述基底1的叠层设计相关，也需仿真计算出金属过孔的等效传输线电长度Ev，如图3及图4所示，此电长度为Ev=Ev1+Ev2+Ev3+Ev4，其中，Ev1为射频端与第一枝节端（图示方向中最上层开路枝节21与所述信号过孔12连接的一端）之间的电长度，Ev2为第一枝节端与第二枝节端（图示方向中中间层开路枝节21与所述信号过孔12连接的一端）之间的电长度，Ev3为第二枝节端与第三枝节端（图示方向中最下层开路枝节21与所述信号过孔12连接的一端）之间的电长度，Ev4为第三枝节端与天线端之间的电长度。

需要说明的是，在图3及图4中，RF_Port1为射频端；ANT_Port2为天线端；Z1为最上层开路枝节21的特性阻抗，E1为最上层开路枝节21的电长度；Z2为中间层开路枝节21的特性阻抗，E2为中间层开路枝节21的电长度；Z3为最下层开路枝节21的特性阻抗，E3为最下层开路枝节21的电长度。

（3）在所述基底1的中间层的横向空间内增加谐振线路2，以开路的带状线枝节结构形成谐振，观察设置好各枝节变量，主要是线宽和长度，以及三路枝节所处中间层位置，在ADS中进行原理图建模仿真，原理图如图4，优化出较好性能，主要是接收频段在发射频段的抑制以及自己频段的驻波和损耗。

（4）根据原理图仿真设计优化出的参数信息，计算出金属过孔的详细参数、各个位置的线宽线长及图4中的各开路枝节21的阻抗和电长度。设计时也需要考虑实际加工情况，例如孔盘等，大大地优化了射频面和天线面的设计空间，使各谐振线路2分布在于金属过孔垂直互联的各基板11之间。

仿真结果见图5，在该仿真图中，曲线S11代表天线端的端口（以下简称“二端口”）匹配射频端的端口（以下简称“一端口”）的反射系数，曲线S22代表一端口匹配二端口的反射系数，曲线S21代表二端口匹配一端口到二端口的传输系数，曲线S12 代表一端口匹配二端口到一端口的传输系数。

需要说明的是，在该仿真结果中，曲线S11与S22重叠，曲线12与曲线21重叠，因此图示中仅能看到较粗的曲线S12和S22。

由该仿真结果可以得出，接收子阵在发射子阵14GHz的抑制能＜-30dBc，带内损耗＜0.7dB，带内驻波＜1.5。

本发明实施例提供的天线滤波结构满足常规加工工艺要求，且量化地利用其阻抗特性，可为其他平面相控阵多层板中的无源提供设计思路。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。