CN110808468A - 一种波束可重构的宽阻带抑制滤波天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种波束可重构的宽阻带抑制滤波天线，包括第一、二介质板和第一、二电压控制模块；第二介质板位于第一介质板上方，它们之间存在空气层；第二介质板上表面形成有覆铜层；覆铜层上设有矩形贴片，第一、二、三、四寄生贴片，第一、二变容二极管、第一、二、三、四贴片电感，第一、二、三、四电压控制接口；第一介质板下表面形成有覆铜层，上表面设有接地板，接地板上设有耦合孔径；第一介质板的覆铜层上设有第一、二半波长U型谐振器和耦合馈线，在第一介质板上表面和下表面覆铜层制作有输入端口。本发明具有宽阻带抑制的功能，可以实现±45°的波束扫描方向范围，且在改变波束方向的同时可保持通带范围内的S11小于‑10dB及增益变化较小。

Description

一种波束可重构的宽阻带抑制滤波天线
技术领域
本发明涉及天线的技术领域，尤其是指一种波束可重构的宽阻带抑制滤波天线。
背景技术
近年来无线通信的高速发展，随着第五代通信系统的到来，对于系统的通信容量和传输速率有了更高的要求。贴片天线由于其重量轻、体积小、易共形、易加工、成本低等优点被广泛应用到无线通讯系统中。随着5G技术的快速发展以及无线通信用户的高速增长，都迫切需要在非常有限的频谱资源内充分提高频谱利用率，天线波束可重构技术是应对这一需求的有效方案，越来越多地应用于个人通信系统(PCS)、卫星通信系统、无线本地回路、无线局域网(LAN)和无线ATM系统。此外，随着频谱资源充分利用，倍频干扰会更加严重，因此，具有宽阻带抑制的滤波天线是一个很好的解决方案。利用微带天线设计波束可重构滤波天线具有很大研究意义。
对现有技术进行调查了解，具体如下：
Xun Gong教授等人提出了一种通过利用变容二极管改变寄生贴片和驱动贴片之间的耦合实现微带波束可重构天线。在驱动天线的H面两边放置寄生贴片，寄生贴片于驱动贴片之间通过变容二极管耦合，在寄生贴片耦合缝隙处添加了调谐枝节用来补偿阻抗特性。
Ahmed A.Kishk等人提出了利用上诉单极子加载电控阻抗元件的方法应用到了介质谐振天线当中。通过在介质谐振天线的馈线出加载了变容二极管，通过改变电容二极管的电容值改变了馈线端的阻抗特性从而实现介质谐振波束可重构天线。
总的来说，现有的工作中，有不少关于波束可重构天线的研究，但是很多设计方法利用的是相位馈电网络等方法实现的，容易造成能量的损失，且设计比较复杂，或者利用电调的方式实现阻抗变换从而实现波束可重构，但是波束角度变化范围较小。而且大多数设计都不具备滤波功能。因此，设计一款简单的波束可重构的宽阻带抑制滤波天线具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种波束可重构的宽阻带抑制滤波天线，天线工作频率为2.4GHz，通过调节变容二极管的电容值，可以实现±45°的波束扫描方向范围，且在整个调节过程中，反射系数S11基本保持在-10dB不变。此外，天线实现带外增益抑制到-10dBi以下的频率范围达4倍频以上。整个天线结构简单紧凑，而且加工方便，成本低。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种波束可重构的宽阻带抑制滤波天线，包括第一介质板、第二介质板、第一电压控制模块和第二电压控制模块；所述第二介质板位于第一介质板的上方，且该第一介质板与第二介质板之间存在空气层；所述第二介质板的上表面形成有覆铜层，所述覆铜层上分别设有矩形贴片、第一寄生贴片、第二寄生贴片、第三寄生贴、第四寄生贴片、第一变容二极管、第二变容二极管、第一贴片电感、第二贴片电感、第三贴片电感、第四贴片电感、第一电压控制接口、第二电压控制接口、第三电压控制接口、第四电压控制接口；所述矩形贴片作为主要辐射源设在覆铜层的中间位置；所述第一寄生贴片和第二寄生贴片通过第一变容二极管连接形成一个寄生单元，并且关于第一变容二极管对称，位于矩形贴片的一侧，所述第三寄生贴片和第四寄生贴片通过第二变容二极管连接形成一个寄生单元，并且关于第二变容二极管对称，位于矩形贴片的另一侧，且上述两个寄生单元与矩形贴片同一对称轴，即第一变容二极管、第二变容二极管的中心与矩形贴片的中心是在同一条直线上，通过调节两个变容二极管的电容值，使得两个寄生单元产生的电流分布不一样，从而实现波束方向的控制；所述第一寄生贴片通过第一贴片电感与第一电压控制接口连接，所述第二寄生贴片通过第二贴片电感与第二电压控制接口连接，所述第一电压控制接口和第二电压控制接口分别与第一电压控制模块连接，所述第三寄生贴片通过第三贴片电感与第三电压控制接口连接，所述第四寄生贴片通过第四贴片电感与第四电压控制接口连接，所述第三电压控制接口和第四电压控制接口分别与第二电压控制模块连接，其中，上述贴片电感的作用就是为了阻隔寄生贴片的电流通过电压控制接口进入电压控制模块；所述第一介质板的下表面形成有覆铜层，其上表面设有接地板，所述接地板上设有耦合孔径，所述第一介质板的覆铜层上分别设有第一半波长U型谐振器、第二半波长U型谐振器、耦合馈线，且在所述第一介质板的上表面和下表面的覆铜层制作有输入端口，所述第一半波长U型谐振器位于第二半波长U型谐振器的旁边，所述第二半波长U型谐振器位于耦合馈线的旁边，所述耦合馈线与输入端口连接，能够将从输入端口传入的能量耦合到第二半波长U型谐振器，所述第二半波长U型谐振器通过耦合的作用将能量耦合到第一半波长U型谐振器，所述第一半波长U型谐振器通过耦合孔径将能量耦合到矩形贴片，从而实现一个三阶滤波功能，其中，所述第一半波长U型谐振器和第二半波长U型谐振器之间的耦合线与短截线的组合实现宽阻带抑制，所述第二半波长U型谐振器和耦合馈线之间的耦合线与短截线的组合实现宽阻带抑制。
进一步，所述第一寄生贴片、第二寄生贴片、第三寄生贴片、第四寄生贴片的大小一样。
进一步，所述输入端口是50欧姆的阻抗匹配端口。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明天线工作频率为2.4GHz，可以通过调节变容二极管两端的电压实现±47°方向的波束扫描。
2、本发明天线在改变波束方向的同时可保持通带范围内的S11小于-10dB。
3、本发明天线在改变波束方向的同时增益变化较小。
4、本发明天线具有宽阻带抑制的功能，带外抑制达到4倍频以上。
5、本发明天线加工简单，重量轻，加工成本低，工作带宽宽，具有很好的应用前景。
附图说明
图1为本发明的波束可重构的宽阻带抑制滤波天线立体图。
图2为本发明的波束可重构的宽阻带抑制滤波天线的侧视图。
图3为本发明的波束可重构的宽阻带抑制滤波天线的俯视图。
图4为本发明的波束可重构的宽阻带抑制滤波天线的仰视图。
图5为本发明的波束可重构的宽阻带抑制滤波天线的S11仿真结果图。
图6为本发明的波束可重构的宽阻带抑制滤波天线的波束方向仿真结果图。
图7为本发明的波束可重构的宽阻带抑制滤波天线增益随频率变化的仿真图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
参见图1至图4所示，本实施例所提供的波束可重构的宽阻带抑制滤波天线，包括第一介质板1、第二介质板2、第一电压控制模块16和第二电压控制模块17；所述第二介质板2位于第一介质板1的上方，且该第一介质板1与第二介质板2之间存在空气层6，空气层6的主要作用是为了提高贴片天线的增益；所述第二介质板2的上表面形成有覆铜层5，所述覆铜层5上分别设有矩形贴片7、第一寄生贴片8、第二寄生贴片9、第三寄生贴片10、第四寄生贴片11、第一变容二极管C1、第二变容二极管C2、第一贴片电感L1、第二贴片电感L2、第三贴片电感L3、第四贴片电感L4、第一电压控制接口12、第二电压控制接口13、第三电压控制接口14、第四电压控制接口15；所述矩形贴片7作为主要辐射源设在覆铜层5的中间位置；所述第一寄生贴片8和第二寄生贴片9通过第一变容二极管C1连接形成一个寄生单元，并且关于第一变容二极管C1对称，位于矩形贴片7的一侧，所述第三寄生贴片10和第四寄生贴片11通过第二变容二极管C2连接形成一个寄生单元，并且关于第二变容二极管C2对称，位于矩形贴片7的另一侧，且上述两个寄生单元与矩形贴片7同一对称轴，即第一变容二极管C1、第二变容二极管C2的中心与矩形贴片7的中心是在同一条直线上，通过调节两个变容二极管的电容值，使得两个寄生单元产生的电流分布不一样，从而实现波束方向的控制；所述第一寄生贴片8通过第一贴片电感L1与第一电压控制接口12连接，所述第二寄生贴片9通过第二贴片电感L2与第二电压控制接口13连接，所述第一电压控制接口12和第二电压控制接口13分别与第一电压控制模块16连接，所述第三寄生贴片10通过第三贴片电感L3与第三电压控制接口14连接，所述第四寄生贴片11通过第四贴片电感L4与第四电压控制接口15连接，所述第三电压控制接口14和第四电压控制接口15分别与第二电压控制模块17连接，其中，上述贴片电感的作用就是为了阻隔寄生贴片的电流通过电压控制接口进入电压控制模块；所述第一介质板1的下表面形成有覆铜层3，其上表面设有接地板4，所述接地板4上设有耦合孔径18，所述第一介质板1的覆铜层3上分别设有第一半波长U型谐振器19、第二半波长U型谐振器20、耦合馈线21，且在所述第一介质板1的上表面和下表面的覆铜层3制作有输入端口22，所述第一半波长U型谐振器19位于第二半波长U型谐振器20的旁边，所述第二半波长U型谐振器20位于耦合馈线21的旁边，所述耦合馈线21与输入端口22连接，能够将从输入端口22传入的能量耦合到第二半波长U型谐振器20，所述第二半波长U型谐振器20通过耦合的作用将能量耦合到第一半波长U型谐振器19，所述第一半波长U型谐振器19通过耦合孔径18将能量耦合到矩形贴片7，从而实现一个三阶滤波功能，其中，所述第一半波长U型谐振器19和第二半波长U型谐振器20之间的耦合线与短截线的组合实现宽阻带抑制，所述第二半波长U型谐振器20和耦合馈线21之间的耦合线与短截线的组合实现宽阻带抑制。
设计中第一介质板1和第二介质板2的介电常数均为2.55，损耗角正切为0.0029。第一介质板1的厚度为0.8毫米，第二介质板2的厚度为1.5毫米；空气层6的厚度为2mm。第一寄生贴片8、第二寄生贴片9、第三寄生贴片10和第四寄生贴片11大小一样，略大于所设计频率的四分之一的波长。第一贴片电感L1、第二贴片电感L2、第三贴片电感L3和第四贴片电感L4的数值均为270nH。输入端口22是50欧姆的阻抗匹配端口。
参见图5所示，显示了本实施例上述波束可重构的宽阻带抑制滤波天线的S11仿真结果。由图中可以看到，当改变不同的电容值，反射系数S11在通带范围内基本保持在-10dB以下。
参见图6所示，显示了本实施例上述波束可重构的宽阻带抑制滤波天线的波束方向仿真结果。由图中可以看到，设置不同的电容值是，波束方向可以从0°到-47°的改变，由于结构是对称的，所以可以实现±47°的角度变化。
参见图7所示，显示了本实施例上述波束可重构的宽阻带抑制滤波天线增益随频率变化的仿真结果，所设计的天线在2GHz到14GHz的仿真增益曲线。由图中可以看到，在2.6GHz-11.4GHz的增益抑制在-10dBi以下，超过四个倍频。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种波束可重构的宽阻带抑制滤波天线，其特征在于：包括第一介质板、第二介质板、第一电压控制模块和第二电压控制模块；所述第二介质板位于第一介质板的上方，且该第一介质板与第二介质板之间存在空气层；所述第二介质板的上表面形成有覆铜层，所述覆铜层上分别设有矩形贴片、第一寄生贴片、第二寄生贴片、第三寄生贴、第四寄生贴片、第一变容二极管、第二变容二极管、第一贴片电感、第二贴片电感、第三贴片电感、第四贴片电感、第一电压控制接口、第二电压控制接口、第三电压控制接口、第四电压控制接口；所述矩形贴片作为主要辐射源设在覆铜层的中间位置；所述第一寄生贴片和第二寄生贴片通过第一变容二极管连接形成一个寄生单元，并且关于第一变容二极管对称，位于矩形贴片的一侧，所述第三寄生贴片和第四寄生贴片通过第二变容二极管连接形成一个寄生单元，并且关于第二变容二极管对称，位于矩形贴片的另一侧，且上述两个寄生单元与矩形贴片同一对称轴，即第一变容二极管、第二变容二极管的中心与矩形贴片的中心是在同一条直线上，通过调节两个变容二极管的电容值，使得两个寄生单元产生的电流分布不一样，从而实现波束方向的控制；所述第一寄生贴片通过第一贴片电感与第一电压控制接口连接，所述第二寄生贴片通过第二贴片电感与第二电压控制接口连接，所述第一电压控制接口和第二电压控制接口分别与第一电压控制模块连接，所述第三寄生贴片通过第三贴片电感与第三电压控制接口连接，所述第四寄生贴片通过第四贴片电感与第四电压控制接口连接，所述第三电压控制接口和第四电压控制接口分别与第二电压控制模块连接，其中，上述贴片电感的作用就是为了阻隔寄生贴片的电流通过电压控制接口进入电压控制模块；所述第一介质板的下表面形成有覆铜层，其上表面设有接地板，所述接地板上设有耦合孔径，所述第一介质板的覆铜层上分别设有第一半波长U型谐振器、第二半波长U型谐振器、耦合馈线，且在所述第一介质板的上表面和下表面的覆铜层制作有输入端口，所述第一半波长U型谐振器位于第二半波长U型谐振器的旁边，所述第二半波长U型谐振器位于耦合馈线的旁边，所述耦合馈线与输入端口连接，能够将从输入端口传入的能量耦合到第二半波长U型谐振器，所述第二半波长U型谐振器通过耦合的作用将能量耦合到第一半波长U型谐振器，所述第一半波长U型谐振器通过耦合孔径将能量耦合到矩形贴片，从而实现一个三阶滤波功能，其中，所述第一半波长U型谐振器和第二半波长U型谐振器之间的耦合线与短截线的组合实现宽阻带抑制，所述第二半波长U型谐振器和耦合馈线之间的耦合线与短截线的组合实现宽阻带抑制。
2.根据权利要求1所述的一种波束可重构的宽阻带抑制滤波天线，其特征在于：所述第一寄生贴片、第二寄生贴片、第三寄生贴片、第四寄生贴片的大小一样。
3.根据权利要求1所述的一种波束可重构的宽阻带抑制滤波天线，其特征在于：所述输入端口是50欧姆的阻抗匹配端口。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113224521A (zh) * 2021-04-29 2021-08-06 华南理工大学 基于电可控寄生辐射器的多波束天线
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