CN117594969B - 一种新型谐振器结构及方向图可重构天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型谐振器结构及方向图可重构天线，用于实现天线的辐射，它包括金属地板，以及设置在金属地板上表面的顶层PCB基板和设置金属地板下表面的底层PCB基板；在所述顶层PCB基板上印制有呈阵列排布的金属贴片，在相邻的两个金属贴片之间蚀刻有电容缝隙，在顶层PCB基板中心位置设置有耦合探针；在每个耦合探针的周围蚀刻有耦合缝隙，在每个耦合探针外侧设置有调谐探针；在底层PCB基板上印制有微带电感，微带电感的终端与金属地板短路连接。本发明由PCB组成，结构形式精简，易于加工、组装、量产，具有低剖面、结构精简、成本低、工作带宽宽、方向图稳定、增益高等优点，适合多种不同的室内5G基站应用。

Description

一种新型谐振器结构及方向图可重构天线

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种新型谐振器结构及方向图可重构天线。

背景技术

近年来，5G 通信技术发展迅速，和 4G 通信相比，具有带宽宽、高速率、低延迟的特点，是实现人机互联以及万物互联的基础。而在一个无线通信***当中， 天线是一个极为重要的部分，天线的性能会直接影响通信质量。方向图可重构则是提升天线性能的一个重要方式，可以使得电磁能量向着希望的方向辐射，从而提高能量利用率，拓宽天线覆盖范围。室内5G基站采用此种方式提高通信质量。

目前，方向可重构天线，按照辐射器的类型可大致分为三类：介质谐振器天线、贴片天线以及单极子/偶极子天线；按照控制方式大致又可分为三类：多端口控制、液体控制以及射频二极管控制。

介质谐振器天线，是通过分别激励介质谐振器内的奇对称模式和偶对称模式，分别获得侧射定向波束和锥形全向波束，这两个模式既可以由两个端口独立的激励，形成侧射/锥形波束可重构；也可以通过模式耦合的方式，实现辐射方向图的叠加，进而形成偏转波束。此方法存在的问题：第一：介质块外形尺寸和介电常数均会存在较大加工误差，有可能导致天线出现频偏。第二，由于介质谐振器辐射口径面较小，天线增益较低。第三，介质谐振器内的电场，要沿着z轴方向变化，其剖面不能无限降低。

贴片天线，可重构原理和介质谐振器天线基本一致，以圆形贴片天线为例，既存在TM₁₁等奇对称模式，也存在TM₀₂等偶对称模式，可以独立的激励，也可以用模式耦合的方式实现方向图叠加，贴片天线存在的问题是带宽较窄。

单极子/偶极子天线，是基于八木天线的原理，通过在不同的方向设置反射器或者引向器，实现波束方向可重构，可通过液体控制或射频二极管控制实现。此方法存在的问题：对于偶极子天线而言，由于其为平衡结构，需要巴伦馈电，这会导致天线结构复杂化，而对于单极子天线，由于需要金属地板反射电磁波，其剖面往往很高，难以满足要求低剖面的应用场景。

因此，目前的方向图可重构天线，存在工作带宽窄、增益低、剖面高以及加工误差大等问题，因此现有的方向图天线难以满足高性能5G室内基站的性能要求以及不同场景的应用。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息只用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种新型谐振器结构及方向图可重构天线，解决了现有技术存在的不足。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种新型谐振器结构，用于实现天线的辐射，它包括金属地板，以及设置在金属地板上表面的顶层PCB基板和设置金属地板下表面的底层PCB基板；

在所述顶层PCB基板上印制有呈阵列排布的金属贴片，在相邻的两个金属贴片之间蚀刻有电容缝隙，在顶层PCB基板中心位置设置有耦合探针；在每个耦合探针的周围蚀刻有耦合缝隙，在每个耦合探针外侧设置有调谐探针；

在底层PCB基板上印制有微带电感，微带电感的终端与金属地板短路连接。

所述电容缝隙包括长条形凹槽，为谐振器结构提供左手电容，拓展辐射面积以及参与辐射。

所述调谐探针贯穿顶层PCB基板、金属地板和底层PCB基板，将金属贴片与微带电感电连接，以调整各个谐振模式的谐振频率。

所述耦合缝隙包括蚀刻在耦合探针周围的正方形环形槽，通过调节环形槽的宽度和周长，以改善奇对称模式和偶对称模式之间的耦合效果；

所述耦合探针贯穿顶层PCB基板、金属地板和底层PCB基板，以实现模式的耦合。

所述金属地板、顶层PCB基板和底层PCB基板通过尼龙螺丝固定。

一种方向图可重构天线，它包括谐振器，还包括设置在顶层PCB基板和底层PCB基板上的激励馈电单元和控制单元；所述激励馈电单元用于激励起两个方向上的电场，进而激励起谐振器；所述耦合探针贯穿顶层PCB基板、金属地板和底层PCB基板与控制单元电连接，实现模式的耦合。

所述激励馈电单元包括蚀刻在金属地板中心的十字型槽，在十字型槽内设置有共面波导，共面波导通过第一转换过孔和第二转换过孔与设置在底层PCB基板上的第一微带馈线和第二微带馈线电连接，用以激励谐振器；

在第一微带馈线的一端设置有第一馈电端口，在第二微带馈线的一端设置有第二馈电端口，两个馈电端口作为电磁能量的入口连接天线与外部馈线。

所述十字型槽由两条长宽分别相等的长方形槽组成，所述共面波导由第一枝节和第二枝节组成，第一枝节和第二枝节分别设置在两个长方形槽内，所述第一枝节通过第一转换过孔与第一微带馈线电连接，第二枝节通过第二转换过孔与第二微带馈线电连接。

所述控制单元包括开关电路，所述开关电路包括设置在底层PCB基板上的第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，每个开关的阴极与耦合探针电连接，阳极与微带电容的一端电连接，以控制耦合探针上的电流，从而控制模式耦合。

所述控制单元还包括偏置电路，所述偏置电路由偏置电阻、偏置电感和偏置线组成；微带电容的另一端电连接一个偏置电感的一端，该偏置电感的另一端通过偏置线电连接偏置电阻；

耦合探针电连接另一个偏置电感的一端，该偏置电感的另一端电连接偏置线。

本发明具有以下优点：

1、谐振器结构实现了天线辐射口径的拓展和增益的提高，谐振器上的电容缝隙也参与辐射，降低了谐振器的品质因数，同时引入了多个高次模，拓展了阻抗带宽，使得方向图，特别是偏转模式下的方向图更加稳定，同时，提出的电磁超材料谐振器，电场沿z轴均匀分布，可实现低剖面。

2、整个天线全部由PCB组成，结构形式精简，易于加工、组装、量产，具有低剖面、结构精简、成本低、工作带宽宽、方向图稳定、增益高等优点，适合多种不同的室内5G基站应用。

3、控制方式采用了双端口馈电和射频二极管相结合的控制方式，能够以较少的二极管数量获得更多的可重构状态，简化了偏置电路和控制电路。

附图说明

图1是本发明谐振器结构的示意图；

图2是本发明底层PCB基板的顶层视图；

图3是本发明底层PCB基板的底层视图；

图4是本发明偏置电路部分的放大示意图；

图5是仿真的本发明在3.3GHz对第二馈电端口馈电时方向图在yoz平面内扫描的效果图；

图6是仿真的本发明在3.3GHz对第一馈电端口馈电时方向图在xoz平面内扫描的效果图；

图7是仿真的本发明波束偏转时增益随频率变化图；

图8是仿真的本发明波束侧射时增益随频率变化图；

图9是仿真的本发明波束偏转时不同频率的方向图对比；

图10是仿真的本发明波束侧射时不同频率的方向图对比；

图11是仿真的本发明波束侧射时S参数；

图12是仿真的本发明波束偏转时S参数；

图中：1-金属贴片，2-顶层PCB基板，3-电容缝隙，4-调谐探针，5-耦合缝隙，6-耦合探针，7-第一转换过孔，8-第二转换过孔，9-尼龙螺丝，10-金属地板，11-底层PCB基板，12-十字型槽，13-第一枝节，14-第二枝节，15-第一微带馈线，16-第二微带馈线，17-第一开关，18-第二开关，19第三开关，20-第四开关，21-微带电感，22-微带电容，23-第一馈电端口，24-第二馈电端口，25-偏置电阻，26-偏置电感，27-偏置线。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下结合附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。

如图1和图2所示，本发明其中一种实施方式涉及一种新型谐振器结构，用于实现天线的辐射，它包括金属地板10，以及设置在金属地板10上表面的顶层PCB基板2和设置金属地板10下表面的底层PCB基板11，底层PCB基板11为低介电常数低损耗的介质基板；

在所述顶层PCB基板2上印制有呈阵列排布的金属贴片1，在相邻的两个金属贴片1之间蚀刻有电容缝隙3，在顶层PCB基板2中心位置设置有耦合探针6；在每个耦合探针6的周围蚀刻有耦合缝隙5，在每个耦合探针外侧设置有调谐探针4；

在底层PCB基板11上印制有微带电感21，微带电感21的终端与金属地板10短路连接，通过调谐探针4和金属贴片1电连接，并与调谐探针4一起起调谐作用；金属地板10、顶层PCB基板2和底层PCB基板11通过尼龙螺丝9固定。

其中，金属地板10是印制在底层PCB基板11上的薄层金属，能够向上反射电磁波，实现定向辐射，同时也作为天线的参考地平面。

进一步地，调谐探针4为贯穿顶层PCB基板2、金属地板10和底层PCB基板11与微带电感21电连接的细长铜丝，用以调整各个谐振模式的谐振频率，使其工作与同一频率范围。

进一步地，耦合缝隙5包括蚀刻在耦合探针6周围的正方形环形槽，通过调节环形槽的宽度和周长，以改善奇对称模式和偶对称模式之间的耦合效果；

进一步地，耦合探针6为贯穿顶层PCB基板2、金属地板10和底层PCB基板11的细长铜丝，将金属贴片1与位于底层PCB基板11上的开关的引脚电连接，以实现模式的耦合，从而实现波束偏转。

进一步地，金属贴片1上的电容缝隙3提供的左手电容分量，用来部分抵消金属贴片1的分布电感，进而提升谐振器的面积，同时，电容缝隙3也能进行电磁辐射，起到降低谐振器品质因数、拓展谐振器带宽的作用；根据腔模理论，此时谐振器内可能存在的模式包括：TM₁₀、TM₂₀和TM₂₂，其中，TM₁₀场分布为奇对称，有侧射辐射方向图，另外两个模式场分布为偶对称，有锥形辐射方向图。

如图2和图3所示，本发明的另一种实施方式涉及一种方向图可重构天线，它包括前面实施方式中的谐振器，还包括设置在顶层PCB基板2和底层PCB基板11上的激励馈电单元和控制单元；所述激励馈电单元用于激励起两个方向上的电场，进而激励起谐振器；所述耦合探针6贯穿顶层PCB基板2、金属地板10和底层PCB基板11，将金属贴片1与控制单元电连接，实现模式的耦合。

进一步地，激励馈电单元包括蚀刻在金属地板10中心的十字型槽12，在十字型槽12内设置有共面波导，共面波导通过第一转换过孔7和第二转换过孔8与设置在底层PCB基板11上的第一微带馈线15和第二微带馈线16电连接，用以激励谐振器；

在第一微带馈线15的一端设置有第一馈电端口23，在第二微带馈线16的一端设置有第二馈电端口24，两个馈电端口作为电磁能量的入口连接天线与外部馈线。

进一步地，十字型槽12由两条长宽分别相等且分别沿x轴和y轴的长方形槽组成，所述共面波导由第一枝节13和第二枝节14组成，第一枝节13和第二枝节14分别设置在两个长方形槽内，所述第一枝节13通过第一转换过孔7与第一微带馈线15电连接，第二枝节14通过第二转换过孔8与第二微带馈线16电连接。

激励第一馈电端口23时，电磁能量由第一微带馈线15经过第一转换过孔7传递至共面波导中的第一枝节13，然后激励起沿着y轴的槽内的电场（电场沿x轴）；激励第二馈电端口24时，电磁能量由第二微带馈线16经过第二转换过孔8传递至共面波导中的第二枝节14，激励起沿着x轴方向的槽内的电场（电场沿y轴），进而激励起电磁超材料谐振器。

进一步地，如图4所示，控制单元既控制奇对称模式和偶对称模式的同/反相，也控制偶对称模式的存在与否，从而实现波束不同偏转方向的可重构以及波束侧射/偏转的可重构，其包括开关电路，所述开关电路包括设置在底层PCB基板11上的第一开关17、第二开关18、第三开关19和第四开关20，四个开关均为高关断隔离、低导通损耗的射频二极管，每个开关的阴极与耦合探针6电连接，阳极与微带电容22的一端电连接，以控制耦合探针6上的电流有无，从而控制模式耦合，实现方向图可重构。

其中，微带电容22是印制于底层PCB基板11底层的终端开路的微带线，分别与四个开关的阳极连接，与耦合缝隙5一起起到改善模式耦合效果的作用，同时也是偏置电流的通路。

进一步地，控制单元还包括偏置电路，所述偏置电路由偏置电阻25、偏置电感26和偏置线27组成；微带电容22的另一端电连接一个偏置电感26的一端，该偏置电感26的另一端通过偏置线27电连接偏置电阻25；

耦合探针6电连接另一个偏置电感26的一端，该偏置电感26的另一端电连接偏置线27。

其中，偏置电阻25为0603封装的贴片电阻，用以限制流过开关的电流，阻值视偏置电压而定；偏置电感26为43nH的0603封装的贴片绕线电感，用以将射频信号和直流偏置电路隔离开来；偏置线27是印制于底层PCB基板11底层的薄层金属线，用以将偏置电阻25、偏置电感26、微带电容22和耦合探针6电连接起来，为偏置电流的通路。

十字型槽12能在谐振器内激励起奇对称模式，当开关导通时，耦合探针6通过底层PCB基板11上的微带电容22耦合接地，由于奇对称模式的电场存在沿z轴的分量，耦合探针6上会被此电场激励起沿着z轴的电流，因此耦合探针6能在谐振器内激励起偶对称模式，奇偶模式辐射的电磁场叠加，就可以得到偏转波束。而当所有开关均断开，谐振器内仅存在被十字型槽12激励起的奇对称模式，可得侧射波束。如图3和图4所示，当对第一馈电端口23进行馈电，在不同的开关状态下，波束可在xoz平面内扫描，此时极化方向沿x轴，当对第二馈电端口24进行馈电，波束可在yoz平面内扫描，极化方向沿y轴。

最终仿真的方向图如图5、图6、图9、图10所示，可以看到，在偏转状态下，该天线在3.2GHz~4.0GHz频率范围内均有明显的波束偏转效果，而在侧射状态下，在3.3~3.8GHz频率范围内均有稳定的侧射方向图和纯净的极化。仿真的增益随频率变化曲线如图7、图8所示，在3.4~3.8GHz频率范围内，增益均在8dBi以上，峰值增益达到8.9dBi。而在侧射状态下，其增益均在8dBi以上，峰值增益达到10dBi。

最终仿真的阻抗带宽由图11、图12所示，可以看到，在侧射模式下，二馈电端口的-10dB带宽能覆盖5G N78频段（3.3GHz~3.8GHz），而在偏转模式下，馈电端口的-10dB带宽覆盖范围超过3.15GHz~4GHz，远超5G N78频段范围。

由此可见，该天线具有阻抗带宽宽、方向图稳定、增益高以及低剖面等优点，适合被应用在室内5G基站改善通信质量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和完善，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种新型谐振器结构，用于实现天线的辐射，其特征在于：它包括金属地板（10），以及设置在金属地板（10）上表面的顶层PCB基板（2）和设置金属地板（10）下表面的底层PCB基板（11）；

在所述顶层PCB基板（2）上印制有呈阵列排布的金属贴片（1），在相邻的两个金属贴片（1）之间蚀刻有电容缝隙（3），在顶层PCB基板（2）中心位置设置有耦合探针（6）；在每个耦合探针（6）的周围蚀刻有耦合缝隙（5），在每个耦合探针（6）外侧设置有调谐探针（4）；

在底层PCB基板（11）上印制有微带电感（21），微带电感（21）的终端与金属地板（10）短路连接；

所述电容缝隙（3）包括长条形凹槽，为谐振器结构提供左右电容，拓展辐射面积以及参与辐射；

所述耦合缝隙（5）包括蚀刻在耦合探针（6）周围的正方形环形槽，通过调节环形槽的宽度和周长，以改善奇对称模式和偶对称模式之间的耦合效果；

所述耦合探针（6）贯穿顶层PCB基板（2）、金属地板（10）和底层PCB基板（11），以实现模式的耦合。

2.根据权利要求1所述的一种新型谐振器结构，其特征在于：所述调谐探针（4）贯穿顶层PCB基板（2）、金属地板（10）和底层PCB基板（11）与微带电感（21）电连接，以调整各个谐振模式的谐振频率。

3.根据权利要求1所述的一种新型谐振器结构，其特征在于：所述金属地板（10）、顶层PCB基板（2）和底层PCB基板（11）通过尼龙螺丝（9）固定。

4.一种方向图可重构天线，其特征在于：它包括如权利要求1-3中任意所述的一种新型谐振器结构，还包括设置在顶层PCB基板（2）和底层PCB基板（11）上的激励馈电单元和控制单元；所述激励馈电单元用于激励起两个方向上的电场，进而激励起谐振器；所述耦合探针（6）贯穿顶层PCB基板（2）、金属地板（10）和底层PCB基板（11）与控制单元电连接，实现模式的耦合。

5.根据权利要求4所述的一种方向图可重构天线，其特征在于：所述激励馈电单元包括蚀刻在金属地板（10）中心的十字型槽（12），在十字型槽（12）内设置有共面波导，共面波导通过第一转换过孔（7）和第二转换过孔（8）与设置在底层PCB基板（11）上的第一微带馈线（15）和第二微带馈线（16）电连接，用以激励谐振器；

在第一微带馈线（15）的一端设置有第一馈电端口（23），在第二微带馈线（16）的一端设置有第二馈电端口（24），两个馈电端口作为电磁能量的入口连接天线与外部馈线。

6.根据权利要求5所述的一种方向图可重构天线，其特征在于：所述十字型槽（12）由两条长宽分别相等的长方形槽组成，所述共面波导由第一枝节（13）和第二枝节（14）组成，第一枝节（13）和第二枝节（14）分别设置在两个长方形槽内，所述第一枝节（13）通过第一转换过孔（7）与第一微带馈线（15）电连接，第二枝节（14）通过第二转换过孔（8）与第二微带馈线（16）电连接。

7.根据权利要求4所述的一种方向图可重构天线，其特征在于：所述控制单元包括开关电路，所述开关电路包括设置在底层PCB基板（11）上的第一开关（17）、第二开关（18）、第三开关（19）和第四开关（20），每个开关的阴极与耦合探针（6）电连接，阳极与微带电容（22）的一端电连接，以控制耦合探针（6）上的电流，从而控制模式耦合。

8.根据权利要求7所述的一种方向图可重构天线，其特征在于：所述控制单元还包括偏置电路，所述偏置电路由偏置电阻（25）、偏置电感（26）和偏置线（27）组成；微带电容（22）的另一端电连接一个偏置电感（26）的一端，该偏置电感（26）的另一端通过偏置线（27）电连接偏置电阻（25）；

耦合探针（6）电连接另一个偏置电感（26）的一端，该偏置电感（26）的另一端电连接偏置线（27）。