CN109861002A - 一种双模双通带滤波天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双模双通带滤波天线设计方法，包括滤波部分和天线部分，所述滤波部分包括输入端口和至少一阶滤波器，所述天线部分为设置在末阶滤波器输出端口上的缝隙天线，所述滤波部分为矩形波导谐振腔，且矩形波导谐振腔内包含有一对简并模，所述天线部分为缝隙天线，通过判断缝隙天线的有载品质因数和外部品质因数值是否相等，从而确定缝隙天线的位置和开槽深度，减少了***的体积、避免了额外***损耗，降低了整个设计的复杂度的有益效果。
Description
技术领域
本发明涉及滤波天线技术领域，具体涉及一种双模双通带滤波天线。
背景技术
滤波器以及天线均是通信***中常用的元器件，传统情况下，如图1所示，它们分别被独立设计，之后通过阻抗匹配电路连接在一起，这就导致整个通信***体积更加臃肿，与此同时，也会给整个通信***引入额外的***损耗；另一方面，无线通信***往往需要工作在多个频率处，以分别处理发射信号与接收信号，当发射信号与接收信号所处的信道相毗邻时，两个信道之间将会产生互耦合的现象，使得整个***的性能发生恶化，为了避免信道之间不必要的互耦，通常需要滚降系数较大的滤波器对信道分别进行滤波，然而，想要滤波器的滚降系数足够大，往往需要增加滤波器的阶数，这又导致整个通信***体积增大，也引入了额外的介质损耗。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种双模双通带滤波天线，
本发明通过以下技术方案实现：
一种双模双通带滤波天线，包括滤波部分和天线部分，所述滤波部分包括输入端口和至少一阶滤波器，所述天线部分为设置在末阶滤波器输出端口上的缝隙天线，其中，所述每阶滤波器内设置有谐振腔，所述谐振腔内设置有一对简并模，所简并模包括第一模和第二模，所述第一模自身耦合为滤波器的低通带，所述第一模和第二模耦合为滤波器的高通带。
所述谐振腔为矩形波导谐振腔。
所述矩形波导谐振腔一侧面上设置有第一销钉***孔，与第一销钉***孔所在侧面相邻的两侧面上分别设置有输入缝隙和输出缝隙，所述输入缝隙所在的侧面上设置有第二销钉***孔。
所述矩形波导谐振腔的侧棱上设置有凹槽。
所述矩形波导谐振腔内设置为两组并联LC谐振电路，所述第一模和第二模均为一组LC谐振电路。
所述第一模自身正交耦合为滤波器的低通带，所述第一模和第二模正交耦合为滤波器的高通带。
所述缝隙天线为十字型缝隙天线。
一种如所述滤波天线的滤波部分的组装方法，包括如下步骤：
S1：依据滤波器阶数，画出滤波天线的等效拓扑结构；
S2：依据双模双通带滤波器的通带频率以及低通原型滤波器到双通带带通滤波器的频率变换公式，得出矩形波导谐振腔的参考尺寸值；
S3：做出与参考尺寸值相对应的矩形波导谐振腔实物，并在矩形波导谐振腔实物内设置一对能同时被激励的简并模；
S4：根据等效拓扑结构将多组矩形波导谐振腔耦合连接，人工不断调整各矩形波导谐振腔上的侧棱上的凹槽深度、第一销钉***孔和第二销钉***孔的深度，直至满足滤波器的通带频率。
所述步骤S2中，所述参考尺寸值包括矩形波导谐振腔的长度、宽度、高度、侧棱上的凹槽深度、第一销钉***孔和第二销钉***孔的深度。
一种如所述滤波天线的天线缝隙位置和深度的确定方法，包括如下步骤：
P1：忽略末阶谐振腔与前阶谐振腔之间的耦合缝隙，对末阶滤波器上的谐振腔的参数提取并仿真；
P2：依据缝隙天线有载品质因数公式获取缝隙天线在谐振频率处的有载品质因数，依据缝隙天线外部品质因数公式获取外部品质因数；
P3：改变缝隙天线在末阶滤波器上的开槽位置和开槽深度，重复步骤P2，直至缝隙天线的有载品质因数与外部品质因数相等。
本发明公开了一种双模双通带滤波天线，具有如下有益效果：
1、滤波天线中滤波部分和天线部分一体化设计，彼此之间无需额外的阻抗匹配电路连接，有效减小整个***的体积，并且避免引入额外的***损耗；
2、本发明中所设计的双模双通带滤波天线支持多个信道通带工作，便于发射和接收信号。同时，因为两个通带分别用相互正交的两个模式实现，通带之间可以实现较高的滚降度，无需通过增加谐振腔的数量提高通带间的隔离度，减小了整个***的体积，避免额外的介质损耗；
3、滤波天线的设计中，两个通带的滤波在一组滤波器的谐振腔内实现，无需分别对不同信道进行单独滤波。极大的减少滤波器谐振腔的数量。有效的降低了整体设计的复杂度，极大地减小***的滤波部分所占用的体积。
附图说明
图1是传统滤波天线结构模型。
图2是双模双通带滤波天线结构模型。
图3是滤波天线的拓扑结构。
图4是滤波天线的整体结构示意图。
图5是末阶滤波器矩形波导谐振腔和缝隙天线的结构示意图。
图6是图5的右侧视图。
图7是滤波天线的仿真和实测结果图。
其中，附图标记说明如下：
1.滤波部分，2.天线部分，3.输入端口，4.谐振腔，5.第二销钉***孔，6.缝隙天线，7.第一销钉***孔，8.凹槽，9.输出缝隙，10.输入缝隙，11.宽度，12.长度，13.高度。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例实例仅仅是本发明一部分实施实例，而不是全部的实施实例，基于本发明的实施实例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施实例，都属于本发明保护的范围。
如图2-7所示，一种双模双通带滤波天线，包括滤波部分1和天线部分2，所述滤波部分1包括输入端口3和至少一阶滤波器，所述天线部分2为设置在末阶滤波器输出端口上的缝隙天线6，其中，所述每阶滤波器内设置有谐振腔4，所述谐振腔4内设置有一对能同时被激励的简并模，所简并模包括第一模和第二模，所述第一模自身耦合为滤波器的低通带，所述第一模和第二模耦合为滤波器的高通带。
所述谐振腔4为矩形波导谐振腔。
所述矩形波导谐振腔一侧面上设置有第一销钉***孔7，与第一销钉***孔7所在侧面相邻的两侧面上分别设置有输入缝隙10和输出缝隙9，所述输入缝隙10所在的侧面上设置有第二销钉***孔5。
所述矩形波导谐振腔的侧棱上设置有凹槽8。
所述矩形波导谐振腔内设置为两组并联LC谐振电路，所述第一模和第二模均为一组LC谐振电路。
所述第一模自身正交耦合为滤波器的低通带，所述第一模和第二模正交耦合为滤波器的高通带。
所述缝隙天线6为十字型缝隙天线。
所述的一种双模双通带滤波天线，其中，滤波部分为四阶滤波器，滤波器的通带频率分别在5～5.05GHz和5.1～5.15GHz，滤波部分2包括一个输入端口3和四个矩形波导谐振腔，天线部分2为十字型缝隙天线，滤波部分1和天线部分2共用末阶滤波器的矩形波导谐振腔。
在每个谐振腔4内部，包括一对简并模，简并模包括第一模和第二模，所示第一模为TE101，所示第二模为TE011，第一模TE101和第二模TE011能够同时被激励，每个模式为一组并联LC谐振电路，每个波导谐振腔为两组并联LC谐振电路，在两种模式之间耦合时，每组LC谐振电路分别谐振于滤波器的高通带和低通带。
在实际工作中通过改变矩形波导谐振腔上侧棱凹槽8的深度来改变矩形波导谐振腔4内两种模式之间TE101模和TE011模的耦合强度大小，通过改变矩形波导谐振腔之间的输入缝隙10和输出缝隙9的宽度或高度，以改变矩形波导谐振腔之间第一模TE101模间耦合强度，通过改变第一销钉***孔7的深度和第二销钉***孔5的深度，可分别控制并改变对应第一模TE101模或第二模TE011模的谐振频率。
所述矩形波导谐振腔上的凹槽8深度的改变、输入缝隙10和输出缝隙9宽度或高度的改变以及第一销钉***孔7和第二销钉***孔5深度的改变均通过人工手动改变尺寸大小后再将各个矩形波导谐振腔耦合连接在一起。
一种如所述滤波天线的滤波部分的组装方法，包括如下步骤：
S1：依据滤波器阶数，画出滤波天线的等效拓扑结构；
S2：依据双模双通带滤波器的通带频率以及低通原型滤波器到双通带带通滤波器的频率变换公式，得出矩形波导谐振腔的参考尺寸值；
S3：做出与参考尺寸值相对应的矩形波导谐振腔实物，并在矩形波导谐振腔实物内设置一对能同时被激励的简并模；
S4：根据等效拓扑结构将多组矩形波导谐振腔耦合连接，人工不断调整各矩形波导谐振腔上的侧棱上的凹槽深度、第一销钉***孔和第二销钉***孔的深度，直至满足滤波器的通带频率。
所述步骤S1中，滤波天线的等效拓扑结构如图3所示，其中，虚线矩形框代表矩形波导谐振腔，矩形框内的黑色圆圈代表LC谐振电路，白色圆圈分别代表源和十字型缝隙天线的等效阻抗，圆圈之间的连线代表两者之间相互耦合，在相邻的矩形波导谐振腔之间，第一模自身耦合形成低通带，每个矩形波导谐振腔内，第一模通过与第二模耦合形成高通带，两种模式的耦合大小可通过改变矩形波导谐振腔的侧棱上的凹槽8的深度大小进行调节，在末阶滤波器上的缝隙天线6一方面可以作为前面滤波部分1的匹配负载，另一方面作为天线实现信号的发射与接收。
所述步骤S2中，所述参考尺寸值包括矩形波导谐振腔的长度12、宽度11、高度13、侧棱上的凹槽8的深度、第一销钉***孔7的深度和第二销钉***孔5的深度。
所述步骤S2中，滤波器从低通原型滤波器到双通带带通滤波器的频率变换公式为：
Ω＝T(ω)＝b1(ω/ω01-ω01/ω)-1/[b2(ω/ω02-ω02/ω)] (1)
其中，ω是去归一化角频率，Ω是归一化频率，ω01，ω02，b1，b2是变换系数，依据通带频率和滤波阶数的不同，变换系数也不相同，若四阶滤波器，且滤波部分的频率通带分别在5～5.05GHz和5.1～5.15GHz时，则变换系数为，ω01＝5.0742，ω02＝5.0752，b1＝50.7420，b2＝67.6757，依据变换系数，得到对应的双模双通带滤波器的矩形波导谐振腔的参考尺寸。
一种如所述滤波天线的天线缝隙位置和深度的确定方法，包括如下步骤：
P1：忽略末阶谐振腔与前阶谐振腔之间的耦合缝隙，对末阶滤波器上的谐振腔的参数提取并仿真；
P2：在谐振频率处，依据缝隙天线有载品质因数公式获取缝隙天线在谐振频率处的有载品质因数，依据缝隙天线外部品质因数公式获取外部品质因数；
P3：改变缝隙天线在末阶滤波器上的开槽位置和开槽深度，重复步骤P2，直至缝隙天线的有载品质因数与外部品质因数相等。
所述步骤P2中十字型缝隙天线的有载品质因数QL公式为：
其中，f0是中心频率，(Δf)x是回波损耗为xdB时对应的带宽，所述f0和(Δf)x由仿真参数获得。
所述步骤P2中十字型缝隙天线的外部品质因数Qr公式为：
其中，RL是中心频率处对应的回波损耗数值。
改变十字型缝隙天线在末阶滤波器上的开槽位置和开槽深度，重复计算十字型开槽缝隙的有载品质因数和外部品质因数，直至十字型缝隙天线的有载品质因数与外部品质因数相等，此时，即确定了十字型缝隙天线的开槽位置和开槽深度，并且，此时滤波天线的S11参数和原有滤波器的S11参数相符合，实际滤波天线的仿真以及实测结果如图7所示，在频率为5.0GHz至5.2GHz之间，实际测量增益和仿真增益相接近，实际测量S11参数和仿真S11参数相接近。
与传统滤波器相比，将滤波器输出端口的形状或结构进行改变，其负载阻抗RL以及外部品质因数QE会发生变化，如图3所示，本发明中替换所用到的十字型缝隙天线的结构为滤波天线提供了负载阻抗RA，本发明能够保证十字型缝隙天线的等效负载阻抗RA与滤波部分原有的负载阻抗RL相同，并且不会对前面的滤波部分产生额外的影响，进而在保留原有滤波器滤波性能的基础上，获得额外的天线发射或接收信号的功能。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种双模双通带滤波天线，其特征在于：包括滤波部分和天线部分，所述滤波部分包括输入端口和至少一阶滤波器，所述天线部分为设置在末阶滤波器输出端口上的缝隙天线，其中，所述每阶滤波器内设置有谐振腔，所述谐振腔内设置有一对简并模，所简并模包括第一模和第二模，所述第一模自身耦合为滤波器的低通带，所述第一模和第二模耦合为滤波器的高通带。
2.根据权利要求1所述的双模双通带滤波天线，其特征在于：所述谐振腔为矩形波导谐振腔。
3.根据权利要求2所述的双模双通带滤波天线，其特征在于：所述矩形波导谐振腔一侧面上设置有第一销钉***孔，与第一销钉***孔所在侧面相邻的两侧面上分别设置有输入缝隙和输出缝隙，所述输入缝隙所在的侧面上设置有第二销钉***孔。
4.根据权利要求2所述的双模双通带滤波天线，其特征在于：所述矩形波导谐振腔的侧棱上设置有凹槽。
5.根据权利要求2所述的双模双通带滤波天线，其特征在于：所述矩形波导谐振腔内设置为两组并联LC谐振电路，所述第一模和第二模均为一组LC谐振电路。
6.根据权利要求5所述的双模双通带滤波天线，其特征在于：所述第一模自身正交耦合为滤波器的低通带，所述第一模和第二模正交耦合为滤波器的高通带。
7.根据权利要求1所述的双模双通带滤波天线，其特征在于：所述缝隙天线为十字型缝隙天线。
8.一种如权利要求1-7所述滤波天线的滤波部分的组装方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：依据滤波器阶数，画出滤波天线的等效拓扑结构；
S2：依据双模双通带滤波器的通带频率以及低通原型滤波器到双通带带通滤波器的频率变换公式，得出矩形波导谐振腔的参考尺寸值；
S3：做出与参考尺寸值相对应的矩形波导谐振腔实物，并在矩形波导谐振腔实物内设置一对能同时被激励的简并模；
S4：根据等效拓扑结构将多组矩形波导谐振腔耦合连接，人工不断调整各矩形波导谐振腔上的侧棱上的凹槽深度、第一销钉***孔和第二销钉***孔的深度，直至满足滤波器的通带频率。
9.根据权利要求8所述的滤波天线滤波部分的组装方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述参考尺寸值包括矩形波导谐振腔的长度、宽度、高度、侧棱上的凹槽深度、第一销钉***孔和第二销钉***孔的深度。
10.一种如权利要求1-7所述滤波天线的天线缝隙位置和深度的确定方法，其特征在于：包括如下步骤：
P1：忽略末阶谐振腔与前阶谐振腔之间的耦合缝隙，对末阶滤波器上的谐振腔的参数提取并仿真；
P2：依据缝隙天线有载品质因数公式获取缝隙天线在谐振频率处的有载品质因数，依据缝隙天线外部品质因数公式获取外部品质因数；
P3：改变缝隙天线在末阶滤波器上的开槽位置和开槽深度，重复步骤P2，直至缝隙天线的有载品质因数与外部品质因数相等。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |