一种具有滤波特性的微带天线及其设计方法技术

一种具有滤波特性的微带天线及其设计方法，微带天线包括圆形微带天线、T‑形谐振器和微带矩形开口环谐振器，圆形微带天线设置一个矩形切口，T‑形谐振器沿y轴分布的垂直臂插入圆形微带天线的矩形切口内，T‑形谐振器沿x轴分布的水平臂靠近微带矩形开口环谐振器设置。设计方法包括设计满足三阶切比雪夫耦合带通滤波器要求的谐振频率，设计T‑形谐振器与微带矩形开口环谐振器之间的耦合系数，以及设计满足滤波器对圆形微带天线的品质因数的要求。本发明专利技术微带天线结构紧凑，不仅具有类似传统带通滤波器的频率滤波特性，而且通带内天线增益平坦，辐射特性较好；在工作频带外具有很好的带外抑制特性，能够有效隔离带外的干扰信号。

A microstrip antenna with filtering characteristics and its design method

A microstrip antenna with filtering characteristics and its design method include a circular microstrip antenna, a T-shaped resonator and a microstrip rectangular open-loop resonator. A rectangular notch is arranged in the circular microstrip antenna. The vertical arm of the T-shaped resonator distributed along the Y axis is inserted into the rectangular notch of the circular microstrip antenna, and the T-shaped resonator is inserted into the rectangular notch of the circular microstrip antenna. The horizontal arm along the X axis is located near the microstrip rectangular open loop resonator. The design method includes designing the resonant frequency that meets the requirements of the third-order Chebyshev coupled bandpass filter, designing the coupling coefficient between the T-shaped resonator and the microstrip rectangular open-loop resonator, and designing the quality factor of the circular microstrip antenna to meet the requirements of the filter. The microstrip antenna of the invention has compact structure, not only has the frequency filtering characteristics similar to the traditional band-pass filter, but also has flat gain in the passband and good radiation characteristics. It has good out-of-band suppression characteristics outside the working frequency band, and can effectively isolate out-of-band interference signals.

【技术实现步骤摘要】
一种具有滤波特性的微带天线及其设计方法
本专利技术属于电磁兼容与天线
，具体涉及一种具有滤波特性的微带天线及其设计方法。
技术介绍
随着现代无线局域网、移动媒体设备等各类无线通信系统的快速发展，无线通信频段变得越来越拥挤，从而造成无线通信信号传输质量恶化，系统易受到干扰等问题，为了应对这样的挑战，对无线通信系统天线的滤波特性提出了较高要求。为了保证无线通信系统具有高传输质量、高数据传输速率、以及小型化的特点，要求作为信号辐射与接收的天线具有较好频率滤波特性、紧凑结构、以及低成本特点。通过对已开展具有滤波特性天线研究进行总结，发现主要使用以下两种技术。第一种技术是利用多个辐射器之间的耦合作用，获得天线的滤波特性，例如微带贴片天线利用四层贴片相互耦合产生谐振，得到了具有滤波特性的微带天线，但是这种设计方法对设计者的工程经验依赖性较高，不适于拓展推广，通用性相对较差。第二种技术是引入额外的变换结构，获得天线的滤波特性，例如在滤波器和天线之间设计一个额外的阻抗变换结构，获得了较好的阻抗带宽和滤波特性，然而这种变换结构增加了整个系统的复杂性，包括增加了它的重量、尺寸和损耗。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，针对现有无线通信系统存在的上述不足，提供一种具有滤波特性的微带天线及其设计方法，该微带天线结构紧凑，不仅具有类似传统带通滤波器的频率滤波特性，而且通带内天线增益平坦，辐射特性较好；在工作频带外具有很好的带外抑制特性，能够有效隔离带外的干扰信号。本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种具有滤波特性的微带天线，包括圆形微带天线、T-形谐振器和微带矩形开口环谐振器，所述微带矩形开口环谐振器为根据耦合带通滤波器综合方法设计的参考的三阶切比雪夫耦合带通滤波器中的一个谐振器；所述T-形谐振器由沿x轴分布的水平臂和沿y轴分布的垂直臂组成，水平臂以垂直臂为对称轴(左右对称)；所述圆形微带天线设置一个矩形切口，T-形谐振器沿y轴分布的垂直臂插入圆形微带天线的矩形切口内，T-形谐振器沿x轴分布的水平臂靠近微带矩形开口环谐振器设置。设计的参考三阶切比雪夫耦合带通滤波器由三个微带矩形开口环谐振器组成，其中第一个微带矩形开口环谐振器作为具有滤波特性微带天线的微带矩形开口环谐振器。本专利技术还提供了一种上述具有滤波特性的微带天线的设计方法，包括如下步骤：(1)微带矩形开口环谐振器的设计，利用耦合带通滤波器综合方法设计一款带内0.1dB等波纹，中心频率为2.45GHz，阻抗带宽为10％的三阶切比雪夫耦合带通滤波器，三阶切比雪夫耦合带通滤波器由三个矩形开口环谐振器组成，其中一个矩形开口环谐振器作为微带矩形开口环谐振器；(2)T-形谐振器的设计，设计满足三阶切比雪夫耦合带通滤波器要求的谐振频率，以及设计T-形谐振器与微带矩形开口环谐振器之间所需的耦合系数；(3)圆形微带天线的设计，设计满足三阶切比雪夫耦合带通滤波器要求的谐振频率，将T-形谐振器沿y轴分布的垂直臂插入圆形微带天线的矩形切口内，获得圆形微带天线与T-形谐振器之间所需的耦合系数，同时还设计满足三阶切比雪夫耦合带通滤波器对圆形微带天线的品质因数的要求(从而实现圆形微带天线既为辐射结构的同时，也为三阶切比雪夫耦合带通滤波器的最后一个谐振器)。按上述方案，所述步骤(1)中，三阶切比雪夫耦合带通滤波器的三个矩形开口环谐振器间的耦合系数为k12＝k23＝0.092，其中k12为第一矩形开口环谐振器与第二矩形开口环谐振器之间的耦合系数、k23为第二矩形开口环谐振器与第三矩形开口环谐振器之间的耦合系数，三阶切比雪夫耦合带通滤波器的输入/输出端的外部品质因数为Qext,1＝Qext,2＝10.3，三阶切比雪夫耦合带通滤波器的第一个矩形开口环谐振器作为微带天线的微带矩形开口环谐振器，印制在厚度为1mm、介电常数为εr＝2.65、长×宽尺寸为L×W的介质材料板上。按上述方案，所述步骤(2)中，T-形谐振器的水平臂的臂长为l1、臂宽为W2；T-形谐振器的垂直臂的臂长为l2、臂宽为W2，l1+l2为工作频段中心频率(2.45GHz)所对应波长的四分之一。按上述方案，所述步骤(2)中，T-形谐振器的水平臂与矩形开口环谐振器之间的间距为S2，通过改变S2大小调节T-形谐振器与微带矩形开口环谐振器之间的耦合系数。按上述方案，所述步骤(3)中，圆形微带天线与T-形谐振器之间的耦合系数，主要由T-形谐振器沿y轴分布的垂直臂插入圆形微带天线的矩形切口深度(l2-S3)和垂直臂与矩形切口之间间距S4调节，其中S3为T-形谐振器沿x轴分布的水平臂与矩形切口之间间距。按上述方案，所述步骤(3)中，圆形微带天线的谐振频率由圆形微带天线的半径R决定，圆形微带天线的品质因数QA采用下式计算式中Zin是圆形微带天线馈电点处的输入阻抗，w为角频率变量，w0为中心频率(2.45GHz)对应的角频率；通过改变圆形微带天线的矩形切口的深度，调节圆形微带天线的输入阻抗Zin，进而调节圆形微带天线的品质因数QA。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：1、本专利技术微带天线具有类似传统带通滤波器的频率滤波特性，而且通带内天线增益平坦，带外两侧因各有一个传输零点，在工作频带外具有很好的带外抑制特性，能够有效隔离带外的干扰信号；2、结构紧凑，具有小型化的特点，设计方法实现了圆形微带天线与不同滤波器谐振器结构的良好集成，尤其适用于无线通信系统的射频前端。附图说明图1为本专利技术参考的三阶切比雪夫耦合带通滤波器的结构示意图；图2为本专利技术具有滤波特性的微带天线的结构示意图；图3为本专利技术具有滤波特性的微带天线仿真反射系数与增益曲线图；图4(a)为本专利技术实施例具有滤波特性的微带天线在2.45GHz的E-面仿真方向图；图4(b)为本专利技术实施例具有滤波特性的微带天线在2.45GHz的H-面仿真方向图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术具有滤波特性的微带天线的几何结构如附图2所示，它由圆形微带天线、T-形谐振器和微带矩形开口环谐振器组成。在开展具有滤波特性的圆形微带天线设计时，首先需要综合设计一款三阶切比雪夫耦合带通滤波器，包括三个矩形开口环谐振器，如附图1所示。利用耦合带通滤波器综合方法设计一款0.1dB等波纹，中心频率为2.45GHz，阻抗带宽为10％的三阶切比雪夫耦合带通滤波器。三个矩形开口环谐振器间的耦合系数为k12＝k23＝0.092，其中k12为第一矩形开口环谐振器1与第二矩形开口环谐振器2之间的耦合系数、k23为第二矩形开口环谐振器2与第三矩形开口环谐振器3之间的耦合系数，三阶切比雪夫耦合带通滤波器的输入/输出端的外部品质因数为Qext,1＝Qext,2＝10.3。三阶切比雪夫耦合带通滤波器的第一个矩形开口环谐振器作为微带天线的微带矩形开口环谐振器，印制在厚度为1mm、介电常数为εr＝2.65、长×宽尺寸为L×W的介质材料板(L为长、W为宽)上。然后开展T-形谐振器设计，该结构由沿x轴分布的水平臂和沿y轴分布的垂直臂(中间的枝节)组成，水平臂以垂直臂为对称轴，左右对称，水平臂的臂长为l1、臂宽为W2；垂直臂的臂长为l2、臂宽为W2，l1+l2约为工作频段中心频率所对应波长的四分之一。T-形谐振器的水平本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有滤波特性的微带天线，其特征在于，包括圆形微带天线、T‑形谐振器和微带矩形开口环谐振器，所述微带矩形开口环谐振器为根据耦合带通滤波器综合方法设计的参考的三阶切比雪夫耦合带通滤波器中的一个谐振器；所述T‑形谐振器由沿x轴分布的水平臂和沿y轴分布的垂直臂组成，水平臂以垂直臂为对称轴；所述圆形微带天线设置一个矩形切口，T‑形谐振器沿y轴分布的垂直臂插入圆形微带天线的矩形切口内，T‑形谐振器沿x轴分布的水平臂靠近微带矩形开口环谐振器设置。

【技术特征摘要】
1.一种具有滤波特性的微带天线，其特征在于，包括圆形微带天线、T-形谐振器和微带矩形开口环谐振器，所述微带矩形开口环谐振器为根据耦合带通滤波器综合方法设计的参考的三阶切比雪夫耦合带通滤波器中的一个谐振器；所述T-形谐振器由沿x轴分布的水平臂和沿y轴分布的垂直臂组成，水平臂以垂直臂为对称轴；所述圆形微带天线设置一个矩形切口，T-形谐振器沿y轴分布的垂直臂插入圆形微带天线的矩形切口内，T-形谐振器沿x轴分布的水平臂靠近微带矩形开口环谐振器设置。2.一种上述权利要求1所述的具有滤波特性的微带天线的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)微带矩形开口环谐振器的设计，利用耦合带通滤波器综合方法设计一款带内0.1dB等波纹，中心频率为2.45GHz，阻抗带宽为10％的三阶切比雪夫耦合带通滤波器，三阶切比雪夫耦合带通滤波器由三个矩形开口环谐振器组成，其中一个矩形开口环谐振器作为微带矩形开口环谐振器；(2)T-形谐振器的设计，设计满足三阶切比雪夫耦合带通滤波器要求的谐振频率、以及设计T-形谐振器与微带矩形开口环谐振器之间所需的耦合系数；(3)圆形微带天线的设计，设计满足三阶切比雪夫耦合带通滤波器要求的谐振频率，将T-形谐振器沿y轴分布的垂直臂插入圆形微带天线的矩形切口内，获得圆形微带天线与T-形谐振器之间所需的耦合系数，同时还设计满足三阶切比雪夫耦合带通滤波器对圆形微带天线的品质因数的要求。3.如权利要求2所述的具有滤波特性的微带天线的设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中，三阶切比雪夫耦合带通滤波器的三个矩形开口环谐振器间的耦合系数为k12＝k23＝0.092，其中k12为第一矩形开口环谐振器与第二矩形开口环谐振器之间的耦合系数...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴为军，刘其凤，谭辉，陈亮，方重华，
申请(专利权)人：中国舰船研究设计中心，
类型：发明
国别省市：湖北,42