CN108258405B - 一种方向图可重构滤波天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种方向图可重构滤波天线，包括介质基片和分别位于所述介质基片上方和下方的滤波天线模块和控制模块；滤波天线模块包括馈线、多模谐振器和发射天线；多模谐振器与馈线和发射天线之间以耦合的方式传递能量；控制模块包括反射器和反射器开关；反射器用于对所述发射天线辐射出的电磁波进行反射以控制所述发射天线的辐射方向；反射器开关用于对所述反射器的启用进行控制。本发明能够在实现滤波天线方向图可重构的同时使滤波天线的阻抗特性和频率特性基本保持不变。

Description

一种方向图可重构滤波天线
技术领域
本发明涉及一种微带滤波天线，尤其涉及一种方向图可重构微带滤波天线。
技术背景
随着无线通信技术的飞速发展，方向图可重构天线因其具备避免嘈杂环境的潜能，且同时可以避免电子干扰，提高通信系统安全性，并可以更好更准确地将信号传达给目标用户以节省能源，因此方向图可重构天线在现代通信系统中有非常重大的意义。天线前端的滤波器起到滤除杂波和提高通带边缘选择性的作用，但滤波器与天线在系统中占用体积较大，无法满足现代通信系统的要求，滤波天线是可以实现滤波和辐射功能的组件，而且滤波器和天线的集成设计还可以节省系统的尺寸并减少损耗。
然而要在滤波天线的基础上实现方向图可重构并非易事。这是因为，传统的方向图可重构天线是通过改变表面电流分布来影响天线辐射性能，从而实现方向图的变化。这样一来，会对天线的频率特性与阻抗特性产生较大影响，而滤波天线要求具有较好的阻抗特性与频率特性，因此方向图可重构天线与滤波天线的结合成为一大难题。
发明内容
发明目的：为弥补现有技术的不足，本发明提供一种方向图可重构滤波天线，以在实现滤波天线方向图可重构的同时保持阻抗特性和频率特性基本不变。
技术方案：本发明提供的方向图可重构滤波天线包括介质基片和分别位于所述介质基片上方和下方的滤波天线模块和控制模块；所述滤波天线模块包括馈线、多模谐振器和发射天线；所述多模谐振器分别与所述馈线和所述发射天线耦合；所述控制模块包括反射器和反射器开关；所述反射器用于对所述发射天线辐射出的电磁波进行反射以控制所述发射天线的辐射方向；所述反射器开关用于对所述反射器的启用进行控制。
进一步地，所述多模谐振器包括二分之一波长谐振器、短路枝节以及开路枝节；所述二分之一波长谐振器为一段宽度相等的微带线；所述短路枝节与开路枝节分别位于所述二分之一波长谐振器的两侧且在所述二分之一波长谐振器的中心点处接入；所述二分之一波长谐振器的两端分别与所述馈线和所述发射天线叉指耦合。
进一步地，所述短路枝节呈条状且与所述二分之一波长谐振器垂直。
进一步地，所述开路枝节呈倒L状；所述开路枝节中与所述二分之一波长谐振器相连的一段垂直于所述二分之一波长谐振器，另一段平行于所述二分之一波长谐振器。
进一步地，所述发射天线为一段长度四分之一波长且宽度相等的倒L型微带线。
进一步地，所述反射器包括分别位于所述发射天线两侧的第一寄生条带和第二寄生条带；所述反射器开关包括第一PIN管和第二PIN管；所述第一寄生条带和所述第二寄生条带分别经由所述第一PIN管和所述第二PIN管接地；第一PIN管和第二PIN管上的外加偏压使得第一PIN管和第二PIN管处于导通或截止状态，从而分别对所述第一寄生条带和所述第二寄生条带的启用进行控制。
进一步地，当所述第一PIN管和所述第二PIN管均处于截止状态时，所述方向图可重构滤波天线的辐射方向具有全向性；当所述第一PIN管和所述第二PIN管中的任一者处于导通状态时，所述方向图可重构滤波天线的辐射方向为从导通的PIN管指向所述发射天线的方向。
进一步地，所述控制模块还包括第一电感、第二电感、第一焊盘和第二焊盘；所述第一电感的一端连接至所述第一寄生条带且另一端经由所述第一焊盘接地，所述第二电感的一端连接至所述第二寄生条带且另一端经由所述第二焊盘接地；所述第一电感和所述第二电感分别用于对所述第一寄生条带和所述第二寄生条带上的交流电。
进一步地，所述馈线的特征阻抗为50欧姆。
进一步地，所述滤波天线模块在通带内有四个谐振点，在上通带与下通带边缘各有一个传输零点。
有益效果：相对于现有技术，本发明提供的方向图可重构滤波天线具有如下优势：
1、通过两个PIN管的开关状态可以实现三种工作模式，不同的工作模式对应着不同的辐射方向，即辐射方向可以在x方向、-x方向以及全向进行切换；当模式改变时，方向图可重构滤波天线的阻抗特性和频率特性基本保持不变；
2、在其通带内有四个谐振模式，在其通带的上阻带和下阻带分别有一个传输零点，从而实现了宽带性能以及良好的通带边缘选择性；
3、具有紧凑的结构，且通带的带宽、谐振模式以及中心频率可以通过不同的尺寸参数进行独立的调节，其工作模式可以根据实际需要来进行控制，具有低成本、小型化、方向图可重构以及性能优良的特性，满足了通信系统的实际需要。
附图说明
图1是本发明的方向图可重构微带滤波天线的层级结构示意图；
图2是本发明的方向图可重构微带滤波天线的具体结构示意图；
图3(a)和3(b)为对本发明的方向图可重构微带滤波天线采用HFSS软件进行仿真的结果；
图4(a)和4(b)为对本发明的方向图可重构微带滤波天线采用安捷伦5245A矢量网络分析仪进行测试的结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的方向图可重构微带滤波天线进行详细说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
本实施例的滤波天线采用相对介电常数为2.2，厚度为0.508mm的PCB板作为介质基板，也可以采用其他规格的PCB板作为基板。如图1所示，在PCB板的介质基片S1的上、下表面分别包覆有上金属层S2和下金属层S3。其中，上金属层S2包括滤波天线模块，下金属层S3包括控制模块。
如图2，上金属层S2(图2中的黑色阴影部分)中的滤波天线模块包括特征阻抗为50Ω的微带馈线A1、多模谐振器和发射天线B2。馈线A1用于馈入能量，其输入端为第一端口port1，port1采用SMA头焊接，以便接入测试或者与电路相连。由馈线馈入的能量经由多模谐振器滤波后导入发射天线。发射天线B2是谐振器同时也是辐射器，用于进一步滤波和对外辐射能量。多模谐振器由二分之一波长谐振器B1、短路枝节C1以及开路枝节D1组成。其中，二分之一波长谐振器B1的两端分别与馈线A1及发射天线B2叉指耦合；短路枝节C1和开路枝节D1均与二分之一波长谐振器B1的中心点相接。此外，短路枝节C1远离二分之一波长谐振器B1的一端通过金属过孔G1接地。
具体而言，馈线A1为沿虚轴XX’延伸且关于虚轴XX’对称的微带线。馈线A1在虚轴H’H的左侧部分沿垂直于XX’方向上的宽度为1.565mm，沿着XX’方向长度为4.1mm；馈线A1在虚轴H’H的右侧部分上部沿着XX’方向长度为4.7mm，沿着YY’方向的宽度为0.3mm，其下部关于虚轴XX’与上部对称分布。馈线A1位于虚轴HH’的连接处与二分之一波长谐振器B1左侧在虚轴XX’方向上相距0.1mm平行分布，二分之一波长谐振器B1与第一馈线右侧在虚轴HH’右侧部分的上部和下部在虚轴YY’方向上相距0.1mm平行分布。
二分之一波长谐振器B1为一段半波长尺寸且宽度相等的微带线，其沿着虚轴XX’方向上的长度是18.8mm，垂直于虚轴XX’方向上的宽度是0.6mm。短路枝节C1位于二分之一波长谐振器B1的上方，其沿虚轴XX’方向上的宽度为1.2mm，沿着虚轴Y’Y方向上的长度为0.5mm。开路枝节D1位于二分之一波长谐振器B1的下方且为倒L型，其右侧部分沿YY’方向的长度与左侧部分沿XX’方向的长度之和为10.5mm，右侧部分沿XX’方向上的宽度与左侧部分沿着YY’方向的宽度均为1.2mm。与短路枝节C1相连的金属过孔G1半径为0.3mm。将开路枝节D1设计为倒L型一方面可以增加滤波天线模块的可调参数，从而更容易实现所需的频率特性和阻抗特性，另一方面可以减小器件的面积，使得整个方向图可重构滤波天线的结构更为紧凑。
发射天线B2为一段四分之一波长且宽度相等的倒L型单极微带线，左侧关于虚轴XX’对称分布，右侧沿着虚轴Y’Y分布且与左侧垂直相连。发射天线B2左侧在虚轴ZZ’右侧部分沿着虚轴XX’方向上的长度是11.6mm，沿着Y’Y方向上的宽度为1.55mm；发射天线B2右侧沿着XX’方向的宽度为1.55mm，沿着Y’Y方向的长度为6.7mm；发射天线B2左侧在虚轴ZZ’左侧部分的上部沿着虚轴XX’方向上的长度为4.7mm，沿着Y’Y方向上的宽度为0.3mm；发射天线B2左侧在虚轴ZZ’左侧部分的下部与上部关于虚轴XX’对称分布。二分之一波长谐振器B1右侧与倒L型天线位于ZZ’的连接处在虚轴XX’方向上相距0.12mm平行分布，二分之一波长谐振器与倒L型天线左侧在虚轴ZZ’左侧部分的上部和下部在虚轴YY’方向上相距0.12mm平行分布。将发射天线B2设计为倒L型天线一方面可以增加滤波天线模块的可调参数，从而更容易实现所需的频率特性和阻抗特性，另一方面可以减小器件的面积，使得整个方向图可重构滤波天线的结构更为紧凑。
发射天线B2与多模谐振器之间的叉指耦合产生了四个谐振模式。二分之一波长谐振器B1，倒L型发射天线B2，开路枝节D1与短路枝节C1的尺寸决定了四个谐振频率。其中，二分之一波长谐振器B1的自谐振产生了一个奇模谐振频率，而短路枝节C1和开路枝节D1的耦合产生了两个偶模谐振频率，倒L型发射天线B2的自谐振产生了第四个谐振频率，同时当倒L型天线B2尺寸发生变化时，只对其自谐振频率有一定影响，滤波天线带宽保持不变。通过调整二分之一波长谐振器B1，开路枝节D1以及短路枝节C1的尺寸，根据奇偶模谐振频率之间的关系形成了两个传输零点。
下金属层S3(图2中的灰色阴影部分)中的控制模块包括第一寄生条带F1和第二寄生条带F2、第一PIN管E1和第二PIN管E2、第一电感I1和第二电感I2，以及第一焊盘J1和第二焊盘J2。
具体而言，如图2所示，第一寄生条带F1和第二寄生条带F2分别位于发射天线B2的两侧，均沿平行于虚轴XX’方向延伸，且二者在沿平行于虚轴XX’方向上的宽度为8mm，沿着平行于虚轴Y’Y方向上的长度为0.2mm。第一寄生条带F1在沿着平行于X’指向X方向上的一端通过沿着Y’指向Y方向上的第一PIN管E1接地，第二寄生条带F2在沿着平行于X指向X’方向上的一端通过沿着平行于Y指向Y’方向上的第二PIN管接地。在第一PIN管和第二PIN管上分别施加有第一外加偏压和第二外加偏压。通过第一外加偏压和第二外加偏压可以控制第一PIN管E1与第二PIN管E2的开关，从而可以改变寄生条带F1与F2上的电流分布情况。第一寄生条带F1与第二寄生条带F2通过电流相位关系，起到反射器的作用，用于对发射天线B2辐射的能量进行反射，进而对天线的工作模式进行控制，即辐射方向可以在x方向、-x方向以及全向进行切换。第一PIN管E1与第二PIN管E2起到反射器开关的作用，当第一PIN管E1与第二PIN管E2均为截止状态时为模式0，第一寄生条带F1和第二寄生条带F2不启用，滤波天线方向图为全向性；当第一PIN管E1截止而第二PIN管E2导通时为模式1，此时仅第二寄生条带F1启用，方向图为-x方向；当第一PIN管E1导通而第二PIN管E2截止时为模式2，此时仅第一寄生条带F2启用，滤波天线方向图为+x方向。此外，第一电感I1的一端连接至第一寄生条带F1且另一端经由第一焊盘J1接地，第二电感I2的一端连接至第二寄生条带F2且另一端经由第二焊盘J2接地。第一电感I1和第二电感I2分别用于对所述第一寄生条带和所述第二寄生条带上的交流电进行扼流。
通过上述设计，本发明的方向图可重构滤波天线工作在5.2GHz，阻抗带宽为25％，在通带内有四个谐振点，在上通带与下通带边缘各有一个传输零点，其具有三种工作模式。当模式改变时，可重构滤波天线的带宽基本保持不变。这是因为利用枝节加载的多模谐振器来设计的滤波器或者滤波天线，可以实现较宽的带宽，良好的通带边缘选择性，较高抑制性的阻带和平坦的增益频率响应。下金属层S3中的控制模块通过加载作为反射器的寄生条带和作为反射器开关的PIN管，可以对天线的方向图特性进行引向和反射，实现方向图切换功能。虽然通过控制模块中的寄生贴片F1和F2来影响滤波天线模块中的发射天线B2的表面电流分布以实现方向图可重构功能的同时对滤波天线模块的频率特性会有一定的影响，但是，由于上金属层S2中的滤波天线模块基于多模谐振器结构，有四个相对独立的谐振模式，且多模谐振器决定着其中三个谐振模式，所以滤波天线模块的整体阻抗特性和频率特性基本不受影响。通过改变多模谐振器的尺寸可以对谐振模式进行灵活调节，实现想要的通带。
图3给出了方向图可重构宽带滤波天线的仿真结果，结果表明滤波天线工作在中心频率为5.2GHz，相对带宽为25％左右，其三个模式下的增益曲线相对传统天线来说带内增益曲线较为平坦，带外选择性较好。由模式0切换为模式1与2时，由于滤波天线方向性由全向转为定向，因此模式0的增益相对于模式1与模式2较小。从其方向图可看出，当滤波天线改变其模式时，实现了x方向，-x方向以及全向之间的切换。此外，在模式切换期间，各频率特性和阻抗特性变化不大。
图4给出了方向图可重构宽带滤波天线的测试结果，测试结果与仿真结果相吻合。

Claims (7)

1.一种方向图可重构滤波天线，其特征在于：包括介质基片和分别位于所述介质基片上方和下方的滤波天线模块和控制模块；
所述滤波天线模块包括馈线、多模谐振器和发射天线；所述多模谐振器分别与所述馈线和所述发射天线耦合；
所述控制模块包括反射器和反射器开关；所述反射器用于对所述发射天线辐射出的电磁波进行反射以控制所述发射天线的辐射方向；所述反射器开关用于对所述反射器的启用进行控制；
所述多模谐振器包括二分之一波长谐振器、短路枝节以及开路枝节；所述二分之一波长谐振器为一段宽度相等的微带线；所述短路枝节与开路枝节分别位于所述二分之一波长谐振器的两侧且在所述二分之一波长谐振器的中心点处接入；所述二分之一波长谐振器的两端分别与所述馈线和所述发射天线叉指耦合；
所述开路枝节呈倒L状；所述开路枝节中与所述二分之一波长谐振器相连的一段垂直于所述二分之一波长谐振器，另一段平行于所述二分之一波长谐振器；
所述滤波天线模块在通带内有四个谐振点，在上通带与下通带边缘各有一个传输零点。
2.根据权利要求1所述的方向图可重构滤波天线，其特征在于，所述短路枝节呈条状且与所述二分之一波长谐振器垂直。
3.根据权利要求1所述的方向图可重构滤波天线，其特征在于，所述发射天线为一段长度四分之一波长且宽度相等的倒L型微带线。
4.根据权利要求1所述的方向图可重构滤波天线，其特征在于，所述反射器包括分别位于所述发射天线两侧的第一寄生条带和第二寄生条带；所述反射器开关包括第一PIN管和第二PIN管；所述第一寄生条带和所述第二寄生条带分别经由所述第一PIN管和所述第二PIN管接地；第一PIN管和第二PIN管上的外加偏压使得第一PIN管和第二PIN管处于导通或截止状态，从而分别对所述第一寄生条带和所述第二寄生条带的启用进行控制。
5.根据权利要求4所述的方向图可重构滤波天线，其特征在于，当所述第一PIN管和所述第二PIN管均处于截止状态时，所述方向图可重构滤波天线的辐射方向具有全向性；当所述第一PIN管和所述第二PIN管中的任一者处于导通状态时，所述方向图可重构滤波天线的辐射方向为从导通的PIN管指向所述发射天线的方向。
6.根据权利要求1所述的方向图可重构滤波天线，其特征在于，所述控制模块还包括第一电感、第二电感、第一焊盘和第二焊盘；所述第一电感的一端连接至所述第一寄生条带且另一端经由所述第一焊盘接地，所述第二电感的一端连接至所述第二寄生条带且另一端经由所述第二焊盘接地；所述第一电感和所述第二电感分别用于对所述第一寄生条带和所述第二寄生条带上的交流电进行扼流。
7.根据权利要求1所述的方向图可重构滤波天线，其特征在于，所述馈线的特征阻抗为50欧姆。
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