单层宽带滤波功能融合的高增益CPW差分天线制造技术

本发明专利技术公开了单层宽带滤波功能融合的高增益CPW差分天线，属于微波天线技术领域。该差分天线构建在单层介质基板上，介质基板的上层全面覆铜，得到接地金属；从介质基板的两端开始，沿着介质基板的中心线，对接地金属进行对称刻蚀，分别得到等长度等宽度的两段第一耦合缝隙，并在尽头分别对称刻蚀相互平行且尺寸相同的第一对开槽；沿着介质基板的中心线，从第一对开槽处继续对称刻蚀接地金属，得到等长度等宽度的两段第二耦合缝隙；在两段第二耦合缝隙的尽头，分别对称刻蚀相互平行且尺寸相同的第二对开槽；最后沿着介质基板的中心线，将第二对开槽通过第三耦合缝隙连通。本发明专利技术减少了通信系统的尺寸，适用于更多高性能系统的设计。

High gain CPW differential antenna with single-layer broadband filtering function fusion

【技术实现步骤摘要】
单层宽带滤波功能融合的高增益CPW差分天线
本专利技术属于微波天线
，涉及滤波天线，具体是单层宽带滤波功能融合的高增益CPW差分天线。
技术介绍
近年来，对于滤波天线的研究越来越热门。滤波天线将滤波器和天线协同设计，解决了天线和滤波器独立设计带来的阻抗难匹配的问题，并且可以减小系统体积和降低成本等。在现代微波和无线通信系统中，相比于单端天线，差分天线和其他射频器件连接时避免使用了额外的巴伦，从而减小了系统的体积、可以有效提高系统性能。天线作为通讯设备的最后一级，即辐射单元，需要电路馈电，馈电方式包括同轴线馈电、微带线馈电和共面波导(CPW)馈电。相较于其他两种馈电方式，CPW馈电的天线具有体积小、结构简单、以及易于集成的优点。目前已有CPW差分馈电或差分馈电的天线被研究，研究的重点要么放在超宽带陷波天线，并没有滤波功能，要么没有滤波零点的产生，且其结构都较复杂。因此，若能够将差分CPW馈电和滤波天线结合起来，就能够减小滤波天线的整体尺寸，同时还可以保证滤波天线能够继承滤波器和天线各自的特性，同时差分馈电可以减少系统的损耗，提高天线的增益。
技术实现思路
本专利技术设计了一种单层宽带滤波功能融合的高增益CPW差分天线，通过在接地金属上开两对相互平行但尺寸不同的矩形槽，产生两个零点，通过调节开槽的尺寸，实现滤波零点的可调，提高了天线的滤波选择性；同时通过调节介质基板的厚度可实现工作频率可调。本专利技术结构简单，滤波带宽宽，通过差分馈电，有效利用天线空间，使天线具有高增益的特性。<br>所述的单层宽带滤波功能融合的高增益CPW差分天线，构建在单层介质基板上，在介质基板的上层全面覆铜，得到接地金属；从介质基板的两端开始，沿着介质基板的中心线，对接地金属进行对称刻蚀，分别得到等长度等宽度的两段第一耦合缝隙，在两段第一耦合缝隙的尽头，分别对称刻蚀相互平行且尺寸相同的第一对开槽；沿着介质基板的中心线，从第一对开槽处继续对称刻蚀接地金属，得到等长度等宽度的两段第二耦合缝隙；在两段第二耦合缝隙的尽头，分别对称刻蚀相互平行且尺寸相同的第二对开槽；最后沿着介质基板的中心线，将第二对开槽通过第三耦合缝隙连通。第一对开槽和第二对开槽相对平行，长度和宽度均不同，均垂直于介质基板的中心线；三段耦合缝隙与两对开槽中间贯通；同时，通过刻蚀耦合缝隙在贯通的通道内产生了差分微带线；差分微带线包括对称的两段，长度分别从介质基板的一端开始，直至到第二对开槽处结束。所述的第一对开槽和第二对开槽产生两个零点的原理如下：开路谐振器的ABCD基本矩阵为：其中，θ是第一对开槽或第二对开槽中任一开槽的一端枝节的电长度；Z是第一对开槽或第二对开槽中任一开槽的一端枝节的特性阻抗；两对开槽的两端对称，因此两端枝节的电长度θ和特性阻抗Z相同。开路电路的输入导纳为：谐振时：Yin＝0，则谐振条件是cotθ＝0，即θ＝45°。当加载开槽时，开槽也就是第一对开槽或第二对开槽的任一开槽的总长为二分之一滤波零点所在频率对应的波长，两对开槽的两端枝节处于开路状态，槽内的电流方向相反，由于两对开槽结构对称，所以电流大小相同。此时，天线的能量被反射回去，不会辐射出去；最终在增益曲线上产生了两个传输零点，实现了滤波功能。进一步，开槽尺寸影响零点和天线滤波的原理如下：首先，计算两对开槽的总长度L：c是自由空间中的光速，f是滤波零点处的频率，εe是介质基板的等效介电常数，εr是介质基板的相对介电常数。两对开槽的长度控制零点的频率，宽度影响天线滤波选择性和带宽。提高第二对开槽的宽度，天线S参数的下边带选择性变差；提高第一对开槽的宽度，天线S参数的上边带向高频移动，滤波带宽变宽，但第一对开槽的宽度太宽，上边带选择性会变差。两对开槽的位置也相互制约，影响零点的位置，具体表现为：两对开槽间的距离变大时，上零点向低频移动，滤波带宽变窄。综合考虑上述影响因素，通过HFSS软件优化来确定两对开槽的具体尺寸参数。进一步，三段耦合缝隙的尺寸影响天线的工作带宽和匹配；共面波导的特性阻抗是由微带线的宽度和耦合缝隙的宽度决定的。当两段微带线的宽度越宽，其特性阻抗越低；耦合缝隙宽度越宽，其特性阻抗越高。经过仿真优化，结合实际加工精度以及回波损耗特性最终确定耦合缝隙的宽度。所述的高增益CPW差分天线工作原理如下：CPW差分天线工作时，给两段差分微带线分别馈入幅度相同，但相位相反的差分信号。在上零点，CPW差分天线上的电流主要集中在第一和第二耦合缝隙上，两对开槽上的电流很弱，其中第一和第二耦合缝隙上的电流方向相反，抵消掉部分能量，天线基本不工作，从而产生了辐射零点。在下零点，CPW差分天线上的电流主要集中在两对开槽上，对于任意一个开槽，其两端枝节的电流大小相同方向相反，相互抵消，有极少的能量辐射出去，但是在下零点时，天线在开槽枝节的末端有少部分电流存在，所以其抑制情况较差于上零点。本专利技术的优点在于：1)单层宽带滤波功能融合的高增益CPW差分天线，通过在接地金属上刻蚀两对相互平行的矩形槽，产生了两个滤波零点，零点可调，工作带宽宽，实现了滤波天线的设计，避免使用了滤波器，从而减少了通信系统的尺寸。而且，滤波零点的产生使得天线的滤波性能增强，提高了滤波的频带选择性，使得本专利技术可适用于更多高性能系统的设计。2)单层宽带滤波功能融合的高增益CPW差分天线，使用CPW结构，即接地金属和微带线处于同一平面，相比于微带线，减少了表面接地打孔操作，节约加工成本；因为CPW共面接地金属的存在，相邻的信号线串扰很弱，结合差分结构，天线实现了更加紧凑的设计布局。使用差分馈电使得天线的增益更高，性能更好，可与射频前端器件直接相连，减少了巴伦等器件的使用。附图说明图1为本专利技术单层宽带滤波功能融合的高增益CPW差分天线的三维结构示意图；图2为本专利技术单层宽带滤波功能融合的高增益CPW差分天线的平面结构示意图；图3为本专利技术CPW差分天线工作场景的示意图；图4为本专利技术CPW差分天线的回波损耗仿真结果示意图；图5为本专利技术CPW差分天线的增益仿真结果示意图；图6为本专利技术CPW差分天线在4GHz的方向图仿真结果示意图。图中，1-第一对开槽；2-第二对开槽；3-差分微带线；4-差分微带线；5-接地金属；6-第二耦合缝隙；7-第一耦合缝隙；8-第二耦合缝隙；9-第一耦合缝隙；10-第三耦合缝隙。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细描述。应该理解，这些描述只是实例性的，而并非要限制本专利技术的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本专利技术的概念。本专利技术的宽带高增益天线通过CPW差分馈电且具有两个滤波零点，其主体是结构对称的差分微带线和开槽的接地金属。通过在接地金属上开两对相互平行但尺寸不同的矩形槽，实现上下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.单层宽带滤波功能融合的高增益CPW差分天线，其特征在于，构建在单层介质基板上，在介质基板的上层全面覆铜，得到接地金属；/n从介质基板的两端开始，沿着介质基板的中心线，对接地金属进行对称刻蚀，分别得到等长度等宽度的两段第一耦合缝隙，在两段第一耦合缝隙的尽头，分别对称刻蚀相互平行且尺寸相同的第一对开槽；沿着介质基板的中心线，从第一对开槽处继续对称刻蚀接地金属，得到等长度等宽度的两段第二耦合缝隙；在两段第二耦合缝隙的尽头，分别对称刻蚀相互平行且尺寸相同的第二对开槽；最后沿着介质基板的中心线，将第二对开槽通过第三耦合缝隙连通；/n三段耦合缝隙与两对开槽中间贯通；同时，通过刻蚀耦合缝隙在贯通的通道内产生了差分微带线；差分微带线包括对称的两段，长度分别从介质基板的一端开始，直至到第二对开槽处结束。/n

【技术特征摘要】
1.单层宽带滤波功能融合的高增益CPW差分天线，其特征在于，构建在单层介质基板上，在介质基板的上层全面覆铜，得到接地金属；
从介质基板的两端开始，沿着介质基板的中心线，对接地金属进行对称刻蚀，分别得到等长度等宽度的两段第一耦合缝隙，在两段第一耦合缝隙的尽头，分别对称刻蚀相互平行且尺寸相同的第一对开槽；沿着介质基板的中心线，从第一对开槽处继续对称刻蚀接地金属，得到等长度等宽度的两段第二耦合缝隙；在两段第二耦合缝隙的尽头，分别对称刻蚀相互平行且尺寸相同的第二对开槽；最后沿着介质基板的中心线，将第二对开槽通过第三耦合缝隙连通；
三段耦合缝隙与两对开槽中间贯通；同时，通过刻蚀耦合缝隙在贯通的通道内产生了差分微带线；差分微带线包括对称的两段，长度分别从介质基板的一端开始，直至到第二对开槽处结束。


2.如权利要求1所述的单层宽带滤波功能融合的高增益CPW差分天线，其特征在于，所述的第一对开槽和第二对开槽相对平行，长度和宽度均不同，均垂直于介质基板的中心线；产生两个零点的原理如下：
开路谐振器的ABCD基本矩阵为：
其中，θ是第一对开槽或第二对开槽中任一开槽的一端枝节的电长度；Z是第一对开槽或第二对开槽中任一开槽的一端枝节的特性阻抗；两对开槽的两端对称，因此两端枝节的电长度θ和特性阻抗Z相同；
开路电路的输入导纳为：谐振时：Yin＝0，则谐振条件是cotθ＝0，即θ＝45°；当加载开槽时，开槽也就是第一对开槽或第二对开槽的任一开槽的总长为二分之一滤波零点所在频率对应的波长，两对开槽的两端枝节处于开路状态，槽内的电流方向相反，由于两对开槽结构对称，所以电流大小相同；此时，天线的能量被反射回去，不会辐射出去；最终在增益曲线上产生了两个传输零点，实现了滤波功能。


3.如权利要求1所述的单层宽带滤波功能融合的高增益CPW差分天线，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴永乐，陈潇潇，王卫民，杨雨豪，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京;11