CN109411893B - 一种超宽带与双频带可重构滤波天线 - Google Patents

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Abstract

一种超宽带与双频带可重构滤波天线，包括：介质板和分别设置于介质板上表面的滤波组件与单极子天线模块；滤波组件为包括第一信号端口、第二信号端口、多个微带线、多个阻抗模块、和至少一个短路阻抗模块的滤波网络；第一信号端口与外界信号源连接，第二信号端口与单极子天线连接；阻抗模块包括至少一个电压端口；电压端口与外界电压源连接，通过外界电压源电压数值的变化，实现可重构滤波天线的超宽带工作模式与双频带工作模式的转换。通过采用可重构技术，对滤波组件中多个电压端口的电压数值进行调节，分别实现了两段耦合线和三段耦合线的耦合接入，实现了可重构滤波天线由超宽带至双频段的调节，具有成本低、加工简单和多功能信号传输的优点。

Description

一种超宽带与双频带可重构滤波天线
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种超宽带与双频带可重构滤波天线。
背景技术
通信***近年来得到广泛发展，为满足各种功能的需要，常常需要一个平台安装满足各种需求的天线，这不仅增加了平台的体积，也加大的***的成本。同时，多个天线安装在同一个平台上也增加了天线设计的复杂度，同时天线之间的耦合与隔离度问题也增加了***设计的困难。从而，为了满足商业的需求，提出了可重构天线。可重构滤波天线技术是一种全新的、与传统的通信技术有着较大差异的、以及低成本满足多频段选择功能的无线通信技术。它不需要同时连接多个天线，也不需要单独的安装滤波器，这大大的降低了***的复杂度，且减少了二者传统连接上的损耗。提高了***的传输效率。可重构滤波技术具有频率选择性好、带外抑制好、传输效率高、多频带性、低损耗、安全系数高、***复杂度低、多功能性等特点，完美的克服了完美的克服了其他普通可重构技术的缺点。
目前，可重构的类型有：频率可重构天线、极化可重构天线、方向图可重构天线、多电磁参数可重构天线。实现可重构技术的实现方式有很多种，如：超材料、ME偶极子、共面集成波导(SIW)等，但是由于技术的不完善，这些技术都暂时不能广泛用于通信***中。超材料可重构技术尺寸较大，且容易激励出高次模，会增加干扰，实用性较低；ME偶极子虽然尺寸较小，但是安装较麻烦；SIW虽然易于集成，但是结构较复杂，不利于实现多种功能的可重构技术。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种可重构滤波天线，通过采用微带技术，通过对滤波组件中外置的多个电压端口的电压数值进行调节，分别实现了两段耦合线和三段耦合线的耦合，实现了可重构滤波天线由超宽带至双频段的调节，频率选择性好，带外抑制作用良好，具有成本低、加工操作简单和多功能信号传输的优点。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种超宽带与双频带可重构滤波天线，包括：介质板和分别设置于所述介质板上表面的滤波组件与单极子天线模块；所述滤波组件为包括第一信号端口、第二信号端口、多个微带线、多个阻抗模块、和至少一个短路阻抗模块的滤波网络；所述第一信号端口与外界信号源连接，第二信号端口与所述单极子天线连接；所述阻抗模块包括至少一个电压端口；所述电压端口与外界电压源连接，通过所述外界电压源电压数值的变化，实现所述可重构滤波天线的超宽带工作模式与双频带工作模式的转换。
进一步地，所述滤波组件包括第一微带线、第二微带线、短路阻抗模块、分别与所述第一微带线和第二微带线连接的两个第一阻抗模块、分别与所述第一微带线和第二微带线连接的两个第二阻抗模块、分别与所述第一微带线和第二微带线连接的两个第三阻抗模块和与所述第一微带线和第二微带线分别连接的第四阻抗模块；所述第一微带线的一端与所述第一信号端口连接；所述第二微带线的一端与所述第二信号端口连接；所述第一阻抗模块、第二阻抗模块、第三阻抗模块和第四阻抗模块中的电压端口分别与所述外界电压源连接；所述短路阻抗模块一端接地，另一端通过第一耦合线和所述第一微带线连接且通过第二耦合线和所述第二微带线连接。
进一步地，两个所述第一阻抗模块对称设置于所述短路阻抗模块的两侧；和/或，两个所述第二阻抗模块对称设置于所述第四阻抗模块的两侧；和/或，两个所述第三阻抗模块对称设置于所述第四阻抗模块的两侧。
进一步地，所述第一阻抗模块包括：第一L型阻抗枝节、第一电感、第一二极管和第一电压端口，所述第一L型阻抗枝节通过第一二极管与所述第一微带线或第二微带线连接，所述第一电感一端与所述第一电压端口连接，其另一端与所述第一L型阻抗枝节与所述第一二极管的连接端连接；和/或，所述第二阻抗模块包括：第二L型阻抗枝节、第二电感、第二二极管和第二电压端口，所述第二L型阻抗枝节通过所述第二二极管与所述第一微带线或第二微带线连接，所述第二电感一端与所述第二电压端口连接，其另一端与所述第二L型阻抗枝节与所述第二二极管的连接端连接；和/或，所述第三阻抗模块包括：第三电感和第三电压端口，所述第三电感一端与所述第三电压端口连接，另一端与所述第一微带线或第二微带线连接；和/或，所述第四阻抗模块包括：第三耦合线、第四电感、第四二极管和第四电压端口，所述第三耦合线的一端分别通过一个所述第四电感与一个所述第四电压端口连接，另一端分别通过一个第四二极管与所述第一微带线和第二微带线连接。
进一步地，所述第一电压端口、第二电压端口和第四电压端口分别与所述外界电压源的正极连接，所述第三电压端口与所述外界电压源的负极连接。
进一步地，所述第一耦合线中的一根与所述第一微带线连接，另一根与所述短路阻抗模块连接；和/或，所述第二耦合线中的一根与所述第二微带线连接，另一根与所述短路阻抗模块连接。
进一步地，所述第一微带线和第二微带线结构相同，且位于同一轴线上。
进一步地，所述短路阻抗模块的接地端设置有至少一个金属过孔，所述介质板下表面设置有接地层；所述短路阻抗模块与所述接地层通过至少一个所述金属过孔连接。
进一步地，所述金属过孔为多个，呈直线均匀排列或矩阵均匀排列。
进一步地，所述单极子天线的形状为椭圆形。
本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
通过采用微带技术，通过对滤波组件中外置的多个电压端口的电压数值进行调节，分别实现了两段耦合线和三段耦合线的耦合，实现了可重构滤波天线由超宽带至双频段的调节，频率选择性好，带外抑制作用良好，具有成本低、加工操作简单和多功能信号传输的优点。
附图说明
图1是本发明实施例提供的超宽带与双频带可重构滤波天线的结构模型图；
图2是本发明实施例提供的超宽带散射参数与增益曲线仿真图；
图3是本发明实施例提供的双频带散射参数与增益曲线仿真图；
图4a是本发明实施例提供的超宽带模式2.5GHz辐射E面方向仿真结果图；
图4b是本发明实施例提供的超宽带模式2.5GHz辐射H面方向仿真结果图；
图5a是本发明实施例提供的双频带模式1.4GHz辐射E面方向仿真结果图；
图5b是本发明实施例提供的双频带模式1.4GHz辐射H面方向仿真结果图；
图5c是本发明实施例提供的双频带模式3GHz辐射E面方向仿真结果图；
图5d是本发明实施例提供的双频带模式3GHz辐射H面方向仿真结果图。
附图标记：
1、介质板，2、滤波组件，211、第一微带线，212、第二微带线，22、短路阻抗模块，221、金属过孔，231、第一阻抗模块，2311、第一L型阻抗枝节，2312、第一电感，2313、第一二极管，2314、第一电压端口，232、第二阻抗模块，2321、第二L型阻抗枝节，2322、第二电感，2323、第二二极管，2324、第二电压端口，233、第三阻抗模块，2331、第三电感，2332、第三电压端口，234、第四阻抗模块，2341、第三耦合线，2342、第四电感，2343、第四二极管，2344、第四电压端口，241、第一耦合线，242、第二耦合线，3、单极子天线模块。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。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发明的概念。
图1是本发明实施例提供的超宽带与双频带可重构滤波天线的结构模型图。
请参照图1，本发明实施例提供一种超宽带与双频带可重构滤波天线，包括：介质板1和分别设置于介质板1上表面的滤波组件2与单极子天线模块3；滤波组件2为包括第一信号端口、第二信号端口、多个微带线、多个阻抗模块、和至少一个短路阻抗模块的滤波网络。第一信号端口与外界信号源连接，第二信号端口与单极子天线连接。阻抗模块包括至少一个电压端口。电压端口与外界电压源连接，通过外界电压源电压数值的变化，实现可重构滤波天线的超宽带工作模式与双频带工作模式的转换。通过采用微带技术，通过对滤波组件中外置的多个电压端口的电压数值进行调节，分别实现了两段耦合线和三段耦合线的耦合，实现了可重构滤波天线由超宽带至双频段的调节，频率选择性好，带外抑制作用良好，具有成本低、加工操作简单和多功能信号传输的优点。
滤波组件2包括：第一微带线211、第二微带线212、短路阻抗模块22、分别与第一微带线211和第二微带线212连接的两个第一阻抗模块231、分别与第一微带线211和第二微带线212连接的两个第二阻抗模块232、分别与第一微带线211和第二微带线212连接的两个第三阻抗模块233和与第一微带线211和第二微带线212分别连接的第四阻抗模块234。第一微带线211的一端与第一信号端口连接；第二微带线212的一端与第二信号端口连接。第一阻抗模块231、第二阻抗模块232、第三阻抗模块233和第四阻抗模块234中的电压端口分别与外界电压源连接。短路阻抗模块22一端接地，另一端通过第一耦合线241和第一微带线211连接且通过第二耦合线242和第二微带线212连接。
两个第一阻抗模块231对称设置于短路阻抗模块22的两侧。和/或，两个第二阻抗模块232对称设置于第四阻抗模块234的两侧。和/或，两个第三阻抗模块233对称设置于第四阻抗模块234的两侧。
在本发明实施例的一个实施方式中，第一阻抗模块231包括：第一L型阻抗枝节2311、第一电感2312、第一二极管2313和第一电压端口2314，第一L型阻抗枝节2311通过第一二极管2313与第一微带线211或第二微带线212连接，第一电感2312一端与第一电压端口2314连接，其另一端与第一L型阻抗枝节2311与第一二极管2313的连接端连接。和/或，第二阻抗模块232包括：第二L型阻抗枝节2321、第二电感2322、第二二极管2323和第二电压端口2324，第二L型阻抗枝节2321通过第二二极管2322与第一微带线211或第二微带线212连接，第二电感2322一端与第二电压端口2324连接，其另一端与第二L型阻抗枝节2321与第二二极管2323的连接端连接。和/或，第三阻抗模块233包括：第三电感2331和第三电压端口2332，第三电感2331一端与第三电压端口2332连接，另一端与第一微带线211或第二微带线212连接。和/或，第四阻抗模块234包括：第三耦合线2341、第四电感2342、第四二极管2343和第四电压端口2344，第三耦合线2341的一端分别通过一个第四电感2342与一个第四电压端口2344连接，另一端分别通过一个第四二极管2343与第一微带线211和第二微带线212连接。
具体的，两个第一电压端口2314连接外界电压源的正极，正极电压值为1.5V，两个第三电压端口2332连接外界电压源的负极，负极电压值为零。两个第一二极管2313均处于导通状态，两个第一L型阻抗枝节2311接入工作电路中，可重构滤波天线工作于超宽带工作模式。
相似的，两个第二电压端口2324和两个第四电压端口2344连接外界电压源的正极，正极电压值为1.5V，两个第三电压端口2332连接外界电压源的负极，负极电压值为零。两个第二二极管2323和两个第四二极管2343均处于导通状态，可重构滤波天线工作于双频带工作模式。
可选的，两个第一L型阻抗枝节2311和两个第二L型阻抗枝节2321为微带贴片。第一耦合线241中的一根与第一微带线211连接，另一根与短路阻抗模块22连接。和/或，第二耦合线242中的一根与第二微带线212连接，另一根与短路阻抗模块22连接。
两个第一电压端口2314、两个第二电压端口2324和两个第四电压端口2344分别与外界电压源的正极连接，两个第三电压端口2332与外界电压源的负极连接。
第一微带线211和第二微带线212结构相同，且位于同一轴线上。
短路阻抗模块22的接地端设置有至少一个金属过孔221，介质板1下表面设置有接地层；短路阻抗模块22与接地层通过至少一个金属过孔221连接。
在本发明实施例的一个实施方式中，接地层为金属接地板，金属接地板位于滤波组件的下方，与单极子天线保持预设距离，避免对单极子天线的信号收发造成干扰。
可选的，金属过孔221为多个，呈直线均匀排列或呈矩阵均匀排列；优选的，多个金属过孔221呈直线均匀排列，直线型排列的多个金属过孔221提高了短路阻抗枝节22整体接地的效果，同时实现了滤波组件2的中心谐振，具备良好的谐振性能。
在本发明实施例的一个实施方式中，两个第一二极管2313、两个第二二极管2323、两个第四二极管2343相同，在导通时等效为4Ω电阻与0.5nH串联，截止时等效为4KΩ电阻与0.025Pf电容并联后再与0.5nH电感串联。两个第一电感2312、两个第二电感2322、两个第三电感2331和两个第四电感2342相同，且电感值均为47nH，用来隔离直流和射频信号。
在本发明实施例的一个实施方式中，金属过孔221的数量为直线型分布的5个，半径为r＝0.25mm。
单极子天线模块3位于介质板1的上层，与滤波组件2的第二信号端口连接。单极子天线模块3的形状为椭圆形，椭圆形单极子天线模块3的长轴与宽轴的比例为2:1，实现了对称的辐射性能，提高了辐射方向性能。在本发明实施例的一个实施方式中，单极子天线的长轴长度为Ls＝31mm，Ws＝15.5mm。
可选的，介质板1为长方形，其尺寸为长Ls＝100mm，宽Ws＝85mm，厚度h＝0.762mm。
在微波射频模块的PCB板选择中，介电常数是一个重要的技术参数，对射频微波电路的指标插损影响较大，介电常数越低，PCB板的插损也越小。介电常数分为加工介电常数和设计介电常数，加工介电常数为PCB板标称参数，设计介电常数为实测的PCB介电常数，可用于仿真。介电常数是随温度变化的，在0-70°的温度范围内，其最大变化范围可以达到20％，介电常数的变化可以导致线路出现延时10％的变化，温度越高，延时越大。可选的，介质板1的介电常数均为3.66。
可选的，单极子天线模块3和接地层的材料均采用导电金属；优选的，导电金属为黄铜。导电金属中，铜的导电能力最好，仅次于银，但相比银高昂的价格，铜的性价比更高，使用的范围更广。
图2是本发明实施例提供的超宽带散射参数与增益曲线仿真图。
请参照图2，横坐标是频率，单位是GHz；左边纵坐标是以dB为单位的S参数的值，反射系数，用S11表示；右边纵坐标是以dBi为单位的增益的值，用Gain表示；其中，两条曲线分别是：反射系数，用S11表示；增益曲线，用Gain表示。
如图2所示，超宽带反射系数S11在1.27GHz–3.47GHz的频带内小于-10dB，满足本领域要求的反射系数小于-10dB的技术要求；相对带宽为92.8％。通带内天线增益在3dBi以上，通带内天线的增益平坦度良好；通带外增益小于-20dBi，体现了良好的带外抑制能力。
上述相对带宽计算方法为频带宽度与频带中心频率的比值。以超宽带为例，频带宽度＝3.47GHz-1.27GHz＝2.2GHz，频带中心频率＝(1.27GHz+3.47GHz)/2＝2.37GHz，二者比值＝2.2GHz/2.37GHz＝0.928，百分比为92.8％。
图3是本发明实施例提供的双频带散射参数与增益曲线仿真图。
请参照图3，图3的横坐标是频率，单位是GHz；左边纵坐标是以dB为单位的S参数的值，反射系数，用S11表示；右边纵坐标是以dBi为单位的增益的值，用Gain表示；其中，两条曲线分别是：反射系数，用S11表示；增益曲线，用Gain表示。
双频带反射系数S11在1.25GHz–1.88GHz和2.84GHz–3.14GHz的频带内小于-10dB，满足本领域要求的反射系数小于-10dB的技术要求；相对带宽分别为40.3％和13.3％。通带内天线增益在2dBi以上，通带内天线的增益平坦度良好；通带外增益小于-10dBi，体现了良好的带外抑制能力。
图4a是本发明实施例提供的超宽带模式2.5GHz辐射E面方向仿真结果图。
图4b是本发明实施例提供的超宽带模式2.5GHz辐射H面方向仿真结果图。
请参照图4a和图4b，本发明实施例提供的超宽带模式2.5GHz频段辐射方向仿真结果图，使用极坐标展示了在空间立体角0～360°范围内天线的辐射场强以及交叉极化场强的空间分布特性。其中，径向长度是任一方向的场强值与主极化方向的最大辐射方向的场强值归一化后的值，以dB为单位。
如图4a、4b所示，在超宽带工作模式下，2.5GHz E面的主极化为∞型，H面主极化为全向辐射，且两个平面的交叉极化比均在-15dB以下，交叉极化水平性能良好。
图5a是本发明实施例提供的双频带模式1.4GHz辐射E面方向仿真结果图。
图5b是本发明实施例提供的双频带模式1.4GHz辐射H面方向仿真结果图。
图5c是本发明实施例提供的双频带模式3GHz辐射E面方向仿真结果图。
图5d是本发明实施例提供的双频带模式3GHz辐射H面方向仿真结果图。
请参照图5a、图5b、图5c和图5d，本发明实施例提供的一种超宽带与双频带可调的频率可重构滤波天线的辐射方向图仿真结果，在双频带工作模式下，1.4GHz与3GHz两个频率点辐射场强曲线较一致，辐射方向较稳定。E面的主极化为∞型，H面主极化为全向辐射，且两个平面的交叉极化比，均在-19dB以下，交叉极化水平性能良好。
本发明实施例旨在保护一种超宽带与双频带可重构滤波天线，包括：介质板和分别设置于介质板上表面的滤波组件与单极子天线模块；滤波组件为包括第一信号端口、第二信号端口、多个微带线、多个阻抗模块、和至少一个短路阻抗模块的滤波网络；第一信号端口与外界信号源连接，第二信号端口与单极子天线连接；阻抗模块包括至少一个电压端口；电压端口与外界电压源连接，通过外界电压源电压数值的变化，实现可重构滤波天线的超宽带工作模式与双频带工作模式的转换。上述技术方案具备如下效果：
通过采用微带技术，通过对滤波组件中外置的多个电压端口的电压数值进行调节，分别实现了两段耦合线和三段耦合线的耦合，实现了可重构滤波天线由超宽带至双频段的调节，频率选择性好，带外抑制作用良好，具有成本低、加工操作简单和多功能信号传输的优点。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (9)

1.一种超宽带与双频带可重构滤波天线，其特征在于，包括：介质板(1)和分别设置于所述介质板(1)上表面的滤波组件(2)与单极子天线模块(3)；
所述滤波组件(2)为包括第一信号端口、第二信号端口、多个微带线、多个阻抗模块、和至少一个短路阻抗模块的滤波网络；其中，所述滤波组件(2)包括：第一微带线(211)、第二微带线(212)、短路阻抗模块(22)、分别与所述第一微带线(211)和第二微带线(212)连接的两个第一阻抗模块(231)、分别与所述第一微带线(211)和第二微带线(212)连接的两个第二阻抗模块(232)、分别与所述第一微带线(211)和第二微带线(212)连接的两个第三阻抗模块(233)和与所述第一微带线(211)和第二微带线(212)分别连接的第四阻抗模块(234)；
所述第一微带线(211)的一端与所述第一信号端口连接；
所述第二微带线(212)的一端与所述第二信号端口连接；
所述第一信号端口与外界信号源连接，第二信号端口与所述单极子天线连接；
所述阻抗模块包括至少一个电压端口；所述第一阻抗模块(231)、第二阻抗模块(232)、第三阻抗模块(233)和第四阻抗模块(234)中的电压端口分别与外界电压源连接；
所述电压端口与所述外界电压源连接，通过所述外界电压源电压数值的变化，实现所述可重构滤波天线的超宽带工作模式与双频带工作模式的转换；
所述短路阻抗模块(22)一端接地，另一端通过第一耦合线(241)和所述第一微带线(211)连接且通过第二耦合线(242)和所述第二微带线(212)连接。
2.根据权利要求1所述的超宽带与双频带可重构滤波天线，其特征在于，
两个所述第一阻抗模块(231)对称设置于所述短路阻抗模块(22)的两侧；和/或，
两个所述第二阻抗模块(232)对称设置于所述第四阻抗模块(234)的两侧；和/或，
两个所述第三阻抗模块(233)对称设置于所述第四阻抗模块(234)的两侧。
3.根据权利要求2所述的超宽带与双频带可重构滤波天线，其特征在于，
所述第一阻抗模块(231)包括：第一L型阻抗枝节(2311)、第一电感(2312)、第一二极管(2313)和第一电压端口(2314)，所述第一L型阻抗枝节(2311)通过第一二极管(2313)与所述第一微带线(211)或第二微带线(212)连接，所述第一电感(2312)一端与所述第一电压端口(2314)连接，其另一端与所述第一L型阻抗枝节(2311)与所述第一二极管(2313)的连接端连接；和/或，
所述第二阻抗模块(232)包括：第二L型阻抗枝节(2321)、第二电感(2322)、第二二极管(2323)和第二电压端口(2324)，所述第二L型阻抗枝节(2321)通过所述第二二极管(2322)与所述第一微带线(211)或第二微带线(212)连接，所述第二电感(2322)一端与所述第二电压端口(2324)连接，其另一端与所述第二L型阻抗枝节(2321)与所述第二二极管(2323)的连接端连接；和/或，
所述第三阻抗模块(233)包括：第三电感(2331)和第三电压端口(2332)，所述第三电感(2331)一端与所述第三电压端口(2332)连接，另一端与所述第一微带线(211)或第二微带线(212)连接；和/或，
所述第四阻抗模块(234)包括：第三耦合线(2341)、第四电感(2342)、第四二极管(2343)和第四电压端口(2344)，所述第三耦合线(2341)的一端分别通过一个所述第四电感(2342)与一个所述第四电压端口(2344)连接，另一端分别通过一个第四二极管(2343)与所述第一微带线(211)和第二微带线(212)连接。
4.根据权利要求3所述的超宽带与双频带可重构滤波天线，其特征在于，
所述第一电压端口(2314)、第二电压端口(2324)和第四电压端口(2344)分别与所述外界电压源的正极连接，所述第三电压端口(2332)与所述外界电压源的负极连接。
5.根据权利要求3所述的超宽带与双频带可重构滤波天线，其特征在于，
所述第一耦合线(241)中的一根与所述第一微带线(211)连接，另一根与所述短路阻抗模块(22)连接；和/或，
所述第二耦合线(242)中的一根与所述第二微带线(212)连接，另一根与所述短路阻抗模块(22)连接。
6.根据权利要求1所述的超宽带与双频带可重构滤波天线，其特征在于，
所述第一微带线(211)和第二微带线(212)结构相同，且位于同一轴线上。
7.根据权利要求1所述的超宽带与双频带可重构滤波天线，其特征在于，
所述短路阻抗模块(22)的接地端设置有至少一个金属过孔(221)，
所述介质板(1)下表面设置有接地层；
所述短路阻抗模块(22)与所述接地层通过至少一个所述金属过孔(221)连接。
8.根据权利要求7所述的超宽带与双频带可重构滤波天线，其特征在于，
所述金属过孔(221)为多个，呈直线均匀排列或矩阵均匀排列。
9.根据权利要求1所述的超宽带与双频带可重构滤波天线，其特征在于，
所述单极子天线模块(3)的形状为椭圆形。
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