CN111029781A - 一种紧凑型介质填充波导圆极化滤波天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及滤波天线领域，具体涉及一种紧凑型介质填充波导圆极化滤波天线，包括介质填充波导，所述介质填充波导的输入端设置有用于连接外部器件的馈电部件，辐射端嵌入设置有极化调整介质块，所述介质填充波导上设置有若干金属调节柱，若干所述金属调节柱从相对设置的两个面上伸入所述介质填充波导，一一对应形成若干相互耦合的谐振器结构，过渡结构简单、紧凑、易于实现，有利于通过调整每一级反足成对设置的金属调节柱伸入介质填充波导的长度，调节各级谐振器的电性能、谐振频率、传输零点、滤波极点和谐振器间的耦合系数，使该结构的圆极化滤波天线适应于不同频率波段的低功耗输出。

Description

一种紧凑型介质填充波导圆极化滤波天线
技术领域
本发明涉及滤波天线领域，具体涉及一种紧凑型介质填充波导圆极化滤波天线。
背景技术
天线作为一种收发电磁波的关键装置，其电磁性能的好坏直接影响着无线通信系统的优劣，滤波器作为无线通信系统中不可缺少的选频器件，被广泛应用于各种无线通信系统中，在大多数无线通信系统中，滤波器和天线作为两个尺寸较大的关键器件，通常是独立设计，滤波器通常直接接在天线的输入或者输出端口，通过级联方式使用，天线和滤波器的尺寸和性能决定了整个通信系统的性能。
目前，随着无线通信和电子技术的精进和成熟，无线通信系统正朝着轻、薄、短和小的方向发展，但是，传统的天线和滤波器的尺寸较大，重量较重，难以进行一体化设计，同时，当天线和滤波器级联使用时，容易出现阻抗失配，影响系统性能的情况，所以，如何将天线和滤波器集成设计成具有辐射、阻抗匹配和滤波功能的滤波天线，在保证滤波器和天线电性能情况下，减小它们的尺寸和重量、改进接口方式，成为了亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种紧凑型介质填充波导圆极化滤波天线。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种紧凑型介质填充波导圆极化滤波天线，包括介质填充波导，所述介质填充波导的输入端设置有用于连接外部器件的馈电部件，辐射端嵌入设置有极化调整介质块，所述介质填充波导上设置有若干金属调节柱，若干所述金属调节柱从相对设置的两个面上伸入所述介质填充波导，一一对应形成若干相互耦合的谐振器结构。
本发明的一种紧凑型介质填充波导圆极化滤波天线，通过采用介质填充波导作为主体，相比于一般的空气填充波导，尺寸更小，结构更紧凑；通过同轴设置的馈电部件和极化调整介质块，辐射出圆极化电磁波，不仅过渡结构简单、紧凑、易于实现，而且克服了现有电场耦合圆极化天线馈电点不在天线的几何轴线上，相位中心和馈电点距离较远，导致天线尺寸较大的技术问题；通过采用金属调节柱从介质填充波导上相对设置的两个面上插入，使反足成对设置的金属调节柱一一对应构成多级谐振器，各谐振器之间直接进行耦合，不仅使结构更紧凑，而且有利于通过调整每一级反足成对设置的金属调节柱伸入介质填充波导的长度，调节各级谐振器的电性能、谐振频率、传输零点、滤波极点和谐振器间的耦合系数，使该结构的圆极化滤波天线适应于不同频率波段的低功耗输出。
作为本发明的优选方案，若干所述金属调节柱伸入所述介质填充波导的长度不同。通过将金属调节柱调整到合适的尺寸，使每一级反足成对设置的金属调节柱同时产生谐振模式和非谐振模式，谐振模式即TE20波用于产生滤波极点，非谐振模式即TE10波用于产生传输零点，使非谐振模式工作于波导的截止频率以压缩伪相应，保证该结构圆极化滤波天线的滤波电性能，减少其滤波部分的尺寸。
作为本发明的优选方案，所述介质填充波导的同一面上，每两个相邻所述金属调节柱之间距离相等和/或不等。使得各反足成对设置的金属调节柱能够形成具有不同电性能的谐振器，进一步扩大该圆极化滤波天线的适用范围。
作为本发明的优选方案，所述馈电部件包括介质连接块和设置在所述介质连接块内的弯针，所述弯针至少部分的与所述金属调节柱平行设置，形成磁耦合激励结构。馈电部件的信号通过弯针以磁耦合的方式传递至介质填充波导内，对介质填充波导进行激励，将TEM波转换为介质填充波导中的TE10波，该过渡结构简单紧凑，在减小滤波器结构、保证天线滤波部分工作状态的情况下，克服了现有技术中波导同轴过渡结构复杂的技术问题。
作为本发明的优选方案，所述极化调整介质块包括介质块和嵌入设置在所述介质块内的极化调整金属片。通过极化调整金属片对输出的电磁波进行极化调整，电场被分解为空间正交的两组分量，幅度相等且场分量相位相差90°，以辐射出圆极化电磁波，过渡结构紧凑，易于实现。
作为本发明的优选方案，所述介质填充波导包括壳体和设置在所述壳体内的填充材料结构件，所述填充材料结构件包括沿信号传输方向依次设置的立方体结构件和圆柱形结构件。不同形状的填充材料结构件的设置，使形成依次连接的矩形介质填充波导和圆柱形介质填充波导，通过矩形介质填充波导上反足成对设置的金属调节柱，形成谐振频率、耦合系数、传输零点和滤波极点可调的滤波结构，将输入端的TEM波转换为介质填充波导中的TE10波，再通过圆柱形介质填充波导将TE10波转换为TE11波，最后设置在辐射端的极化调整金属片对TE11波进行极化调整，辐射出圆极化电磁波。
作为本发明的优选方案，所述立方体结构件上设置有与所述金属调节柱适配的连接孔，所述连接孔为通孔结构或盲孔结构。通过改变矩形介质填充波导上连接孔的结构，使反足成对设置的金属调节柱能够满足不同频率波段的低损耗传输，进一步在减小体积的同时提高该圆极化滤波天线滤波部分的使用效果。
作为本发明的优选方案，所述圆柱形结构件上设置有与所述极化调整介质块适配的限位槽，所述限位槽设置在介质填充波导沿信号传输方向的尾端面上。嵌入式结构的设置极化调整介质块，保证圆极化天线馈电点在天线的几何轴线上，使得当该圆极化滤波天线绕自身轴线旋转时，可使其辐射出的圆极化电磁波在左旋圆极化波与右旋圆极化波之间切换。
作为本发明的优选方案，所述金属调节柱包括相互连接的限位头和立柱体，所述壳体上设置有与所述限位头适配的限位孔。通过限位头与壳体上的限位孔配合，较容易的实现对伸入填充材料结构件的金属调节柱的深度进行限定。
作为本发明的优选方案，所述立方体结构件上设置有与所述弯针适配的弯针槽。
作为本发明的优选方案，所述介质填充波导的输入端设置有用于安装馈电部件和同轴连接器的同轴端口。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的一种紧凑型介质填充波导圆极化滤波天线的有益效果是：
1、通过采用介质填充波导作为主体，相比于一般的空气填充波导，尺寸更小，结构更紧凑；
2、通过同轴设置的馈电部件和极化调整介质块，辐射出圆极化电磁波，不仅过渡结构简单、紧凑、易于实现，而且克服了现有电场耦合圆极化天线馈电点不在天线的几何轴线上，相位中心和馈电点距离较远，导致天线尺寸较大的技术问题；
3、通过采用金属调节柱从介质填充波导上相对设置的两个面上插入，使反足成对设置的金属调节柱一一对应构成多级谐振器，各谐振器之间直接进行耦合，不仅使结构更紧凑，而且有利于通过调整每一级反足成对设置的金属调节柱伸入介质填充波导的长度，调节各级谐振器的电性能、谐振频率、传输零点、滤波极点和谐振器间的耦合系数，使该结构的圆极化滤波天线适应于不同频率波段的低功耗输出；
4、馈电部件的信号通过弯针以磁耦合的方式传递至介质填充波导内，对介质填充波导进行激励，将TEM波转换为介质填充波导中的TE10波，该过渡结构简单紧凑，在减小滤波器结构、保证天线滤波部分工作状态的情况下，克服了现有技术中波导同轴过渡结构复杂的技术问题。
附图说明
图1是本发明的一种紧凑型介质填充波导圆极化滤波天线的结构示意图
图2是图1中A-A剖面的结构示意图；
图3是本发明的一种紧凑型介质填充波导圆极化滤波天线的辐射端端口示意图；
图4是实施例1中所述填充材料结构件的示意图；
图5是实施例2中所述馈电部件的结构示意图；
图6是本发明中所述极化调整介质块的结构示意图；
图7是实施例2的一种紧凑型介质填充波导圆极化滤波天线的S11仿真结果；
图8是实施例2的一种紧凑型介质填充波导圆极化滤波天线的增益随频率仿真结果；
图9是实施例2的一种紧凑型介质填充波导圆极化滤波天线的增益于通带和阻带的仿真对比结果；
图10是实施例2的一种紧凑型介质填充波导圆极化滤波天线的轴比仿真结果；
图11是实施例3的一种紧凑型介质填充波导圆极化滤波天线的结构示意图；
图12是实施例3的一种紧凑型介质填充波导圆极化滤波天线的S11仿真结果；
图13是实施例3的一种紧凑型介质填充波导圆极化滤波天线的增益随频率仿真结果；
图14是实施例3的一种紧凑型介质填充波导圆极化滤波天线的增益于通带和阻带的仿真对比结果；
图15是实施例3的一种紧凑型介质填充波导圆极化滤波天线的轴比仿真结果。
图标：1-介质填充波导，2-馈电部件，21-介质连接块，22-弯针，221-连接段，222-折弯段，3-极化调整介质块，31-介质块，32-极化调整金属片，4-金属调节柱，41-限位头，42-立柱体，5-壳体，51-限位孔，52-弯针焊接孔，6-填充材料结构件，61-立方体结构件，611-连接孔，612-弯针槽，62-圆柱形结构件，621-限位槽，7-同轴连接器，8-同轴端口。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1-6所示，一种紧凑型介质填充波导圆极化滤波天线，包括壳体5和设置在所述壳体5内的填充材料结构件6，所述填充材料结构件6包括沿信号传输方向依次设置的立方体结构件61和圆柱形结构件62，分别构成矩形介质填充波导和圆柱形介质填充波导，沿信号传输方向连接组成介质填充波导1，所述介质填充波导1在输入端的壳体5内设置有同轴端口8，所述同轴端口8内设置有用于连接外部器件的馈电部件2，所述馈电部件2连接有同轴连接器7，所述介质填充波导1的辐射端嵌入设置有极化调整介质块3，所述极化调整介质块3包括介质块31和嵌入设置在所述介质块31内的极化调整金属片32，所述壳体5上设置有若干金属调节柱4，所述金属调节柱4包括相互连接的限位头41和立柱体42，所述壳体5上设置有与所述限位头41适配的限位孔51，若干所述金属调节柱4从相对设置的两个面上伸入所述介质填充波导1，一一对应形成若干相互耦合的谐振器结构。
本实施例的一种紧凑型介质填充波导圆极化滤波天线，采用一体成型的填充材料结构件6完全填充在壳体5内，使填充材料结构件6受壳体5约束，分别构成由矩形介质填充波导和圆柱形介质填充波导组成的介质填充波导1，同时，采用多个金属调节柱4以反足成对的方式分布设置，即从壳体5上相对设置的两个面上分别插入金属调节柱4，相邻以反足成对方式设置的两个金属调节柱4形成一级谐振器结构，各谐振器之间直接进行耦合，通过设置在输入端的馈电部件2对矩形介质填充波导进行激励，将TEM波转换为矩形介质填充波导中的TE10波，再经过所述圆柱形介质填充波导，将TE10波转换为TE11波，最后再从辐射端由极化调整金属片32对TE11波进行极化调整，辐射出圆极化电磁波，实现馈电部件2和极化调整介质块3在沿信号传输方向的同轴设置，过渡结构简单、紧凑、易于实现，克服了现有电场耦合圆极化天线馈电点不在天线的几何轴线上，相位中心和馈电点距离较远，导致天线尺寸较大的技术问题，同时在实现辐射、阻抗匹配和滤波功能的同时，有效的减少了该圆极化滤波天线的尺寸和重量。
优选的，若干所述金属调节柱4伸入所述介质填充波导1的长度不同，所述介质填充波导的同一面上，每两个相邻所述金属调节柱4之间距离不等。可根据工程中的性能指标和外形尺寸，调整金属调节柱4的数量和外形尺寸，通过设置在壳体5上的限位孔51限制立柱体42伸入矩形介质填充波导结构的深度，在矩形介质填充波导上形成多级谐振器，确定该滤波天线滤波部分的级数，本实施例附图中以四个金属调节柱4形成两级滤波器为例，将金属调节柱4调整到合适的尺寸，调整每一级反足成对设置的金属调节柱4伸入所述介质填充波导1的长度，使每一级反足成对的金属调节柱4同时产生谐振模式和非谐振模式，谐振模式即TE20波用于产生滤波极点，非谐振模式即TE10波用于产生传输零点，非谐振模式工作于波导的截止频率以压缩伪响应。
优选的，所述立方体结构件61上设置有与所述金属调节柱4适配的连接孔611，所述连接孔611为通孔结构，所述圆柱形结构件62上设置有与所述极化调整介质块3适配的限位槽621，所述限位槽621设置在介质填充波导1沿信号传输方向的尾端面上。本实施例通过采用嵌入式结构设置极化调整介质块3，有利于固定极化调整金属片32位置，使极化调整金属片32对圆柱形介质填充波导产生的TE11波进行极化调整，通过改变极化调整金属片32的设置形态，使电场被分解为空间正交的两组分量，幅度相等且场分量相位相差90°，以辐射出圆极化电磁波，过渡结构紧凑，易于实现，保证圆极化天线馈电点在天线的几何轴线上，可根据实际情况，绕壳体5轴线旋转极化调整金属片32，使其辐射出的圆极化电磁波可以在左旋圆极化波与右旋圆极化波之间切换，进一步扩大该圆极化滤波天线的适应范围。
实施例2
如图1-6所示，本实施例的一种紧凑型介质填充波导圆极化滤波天线，结构与实施例1相同，区别在于：所述馈电部件2包括介质连接块21和设置在所述介质连接块21内的弯针22，所述立方体结构件61上设置有与所述弯针22适配的弯针槽612，所述弯针22包括相互呈90°设置的连接段221和折弯段222，所述连接段221穿过所述介质连接块21后与外部器件连接，所述折弯段222延伸穿过设置在所述壳体5上的弯针焊接孔52，所述折弯段222与所述金属调节柱4平行设置，形成磁耦合激励结构。
本实施例的一种紧凑型介质填充波导圆极化滤波天线，优选采用呈90°设置的连接段221和折弯段222组成弯针22，将弯针22的连接段221穿过所述介质连接块21后插入同轴连接器7，所述折弯段222与金属调节柱4平行设置后，延伸插入设置在壳体5上的弯针焊接孔52，将折弯段222端部与弯针焊接孔52焊接连接，将金属调节柱4的限位头41与壳体5上的限位孔51焊接连接，使馈电部件2的信号通过弯针22以磁耦合的方式传递至介质填充波导1，将TEM波转换为矩形介质填充波导结构中的TE10波，电磁波逐级通过反足成对的金属调节柱4组成的谐振器，实现低频滤波，此时，虽然入射的TE10波没有激励反足成对的金属调节柱4的谐振器，但是输入和输出端直接耦合处于截止频率的TE10波，通过这种方式，可以进一步有效的减小波导滤波天线的尺寸，使该过渡结构简单紧凑，在减小滤波器结构、保证天线滤波部分工作状态的情况下，克服了现有技术中波导同轴过渡结构复杂的技术问题。
本实施例的一种紧凑型介质填充波导圆极化滤波天线，由于采用了直接插入式的同轴连接器7作为输入，在输入端通过磁耦合的形式对介质填充波导1进行激励，将TEM波转换为介质填充波导1中的TE10波，通过使反足成对分布设置的金属调节柱4构成的谐振器的非谐振模式工作于波导的截止频率以压缩伪相应，减小该圆极化滤波天线滤波部分的尺寸，在辐射端采用嵌入设置在圆柱形介质填充波导中的极化调整金属片32进行极化调整，使圆柱形介质填充波导将TE10波转换为TE11波，由极化调整金属片32对TE11波进行极化调整，辐射出圆极化电磁波，结构紧凑，便于与其他外部器件连接，在实现辐射、阻抗匹配和滤波功能的同时，有效的减少了该圆极化滤波天线的尺寸和重量，有效解决了无线通信系统应用中滤波器和天线的尺寸过大和重量过重，不便连接等问题。
图7是该结构圆极化滤波天线在输入端口的S11仿真曲线，从附图7中可以看出，上述结构的圆极化滤波天线在22GHz~24.6GHz处，S11＜-10dB，驻波带宽约为2.6GHz。
图8是该结构圆极化滤波天线在18GHz~25GHz范围内的增益随频率仿真结果，从附图8中可以看出，上述结构的圆极化滤波天线在22GHz~24.5GHz处，增益接近5dBi，能够很好的实现定向辐射；而在低于20.7GHz处，增益抑制达到25dB，也进一步说明该结构圆极化滤波天线能在低于20.7GHz处具有很好的低频滤波特性。
图9是该结构圆极化滤波天线在22.6GHz和20.5GHz主剖面方向增益于通带和阻带的仿真对比结果，从附图9中可以看出，上述结构的圆极化调整天线在22.6GHz法向增益为5dBi，在20.5GHz法向增益为-37dBi，也进一步说明该结构圆极化滤波天线在22.6GHz能够有效的实现定向辐射，在20.5GHz能很好的实现增益抑制。
图10是该结构圆极化滤波天线在22.6GHz的轴比仿真结果，从附图10中可以看出，上述结构的圆极化调整天线在±60°范围内，轴比小于3.5dB，具有很好的圆极化特性。
实施例3
如图1，3-6，11-15所示，本实施例的一种紧凑型介质填充波导圆极化滤波天线，结构与实施例2相同，区别在于：设置在所述立方体结构件61上的连接孔611为盲孔结构。
本实施例的一种紧凑型介质填充波导圆极化滤波天线，优选根据电性能要求调整连接孔611的结构为盲孔，微调连接孔611和限位孔51的位置，调整各金属调节柱4伸入填充材料结构件6的深度，使反足成对设置的金属调节柱4能够形成满足不同频率、带宽的微波低损耗传输的谐振器，进一步在减小体积的同时提高该圆极化滤波天线的滤波部分的使用效果。
图12是该结构圆极化滤波天线在输入端口的S11仿真曲线，从附图12中可以看出，上述结构的圆极化滤波天线在21.8GHz~24.4GHz处，S11＜-10dB，驻波带宽约为2.6GHz。
图13是该结构圆极化滤波天线在18GHz~25GHz范围内的增益随频率仿真结果，从附图13中可以看出，上述结构的圆极化滤波天线在21.9GHz~24.4GHz处，增益接近5dBi，很够很好的实现定向辐射；而在低于20.6GHz处，增益抑制达到23dB，也进一步说明该结构圆极化滤波天线能在低于20.6GHz处具有很好的低频滤波特性。
图14是该结构圆极化滤波天线在22.6GHz和20.5GHz主剖面方向增益于通带和阻带的仿真对比结果，从附图14中可以看出，上述结构的圆极化滤波天线在22.6GHz法向增益为5.1dBi，在20.5GHz法向增益为-27dBi，也进一步说明该结构圆极化滤波天线能在22.6GHz有效的实现定向辐射，在20.5GHz能很好的实现增益抑制。
图15是该结构圆极化滤波天线在22.6GHz的轴比仿真结果，从附图15中可以看出，上述结构的圆极化滤波天线在±60°范围内，轴比小于2.5dB，具有很好的圆极化特性
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种紧凑型介质填充波导圆极化滤波天线，其特征在于，包括介质填充波导，所述介质填充波导的输入端设置有用于连接外部器件的馈电部件，辐射端嵌入设置有极化调整介质块，所述介质填充波导上设置有若干金属调节柱，若干所述金属调节柱从相对设置的两个面上伸入所述介质填充波导，一一对应形成若干相互耦合的谐振器结构。
2.如权利要求1所述的一种紧凑型介质填充波导圆极化滤波天线，其特征在于，若干所述金属调节柱伸入所述介质填充波导的长度不同。
3.如权利要求1所述的一种紧凑型介质填充波导圆极化滤波天线，其特征在于，所述介质填充波导的同一面上，每两个相邻所述金属调节柱之间距离相等和/或不等。
4.如权利要求1所述的一种紧凑型介质填充波导圆极化滤波天线，其特征在于，所述馈电部件包括介质连接块和设置在所述介质连接块内的弯针，所述弯针至少部分的与所述金属调节柱平行设置，形成磁耦合激励结构。
5.如权利要求1所述的一种紧凑型介质填充波导圆极化滤波天线，其特征在于，所述极化调整介质块包括介质块和嵌入设置在所述介质块内的极化调整金属片。
6.如权利要求4所述的一种紧凑型介质填充波导圆极化滤波天线，其特征在于，所述介质填充波导包括壳体和设置在所述壳体内的填充材料结构件，所述填充材料结构件包括沿信号传输方向依次设置的立方体结构件和圆柱形结构件。
7.如权利要求6所述的一种紧凑型介质填充波导圆极化滤波天线，其特征在于，所述立方体结构件上设置有与所述金属调节柱适配的连接孔，所述连接孔为通孔结构或盲孔结构。
8.如权利要求6所述的一种紧凑型介质填充波导圆极化滤波天线，其特征在于，所述圆柱形结构件上设置有与所述极化调整介质块适配的限位槽，所述限位槽设置在介质填充波导沿信号传输方向的尾端面上。
9.如权利要求6所述的一种紧凑型介质填充波导圆极化滤波天线，其特征在于，所述金属调节柱包括相互连接的限位头和立柱体，所述壳体上设置有与所述限位头适配的限位孔。
10.如权利要求6所述的一种紧凑型介质填充波导圆极化滤波天线，其特征在于，所述立方体结构件上设置有与所述弯针适配的弯针槽。
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