CN113224511A - 一种基于混合谐振模式谐振腔的波导滤波天线阵列 - Google Patents

一种基于混合谐振模式谐振腔的波导滤波天线阵列 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于混合谐振模式谐振腔的波导滤波天线阵列，包括第一、二、三、四、五、六、七、八金属块；第一金属块中心设有缝隙阵列；第二金属块中心设有第一矩形谐振腔；第三金属块中心设有第一耦合缝隙；第四金属块中心设有第二矩形谐振腔，第二矩形谐振腔中心设有一端与第四金属块相接的长方体金属柱；第五金属块中心设有第二耦合缝隙；第六金属块中心设有第三矩形谐振腔；第七金属块中心设有第三耦合缝隙；第八金属块中心设有波导激励端口。本发明利用不同模式组合提高天线的带宽和引入辐射零点，并且利用腔体谐振设计的滤波天线实现低损耗的特性，整个天线阵列结构可靠而且加工方便，选择性高，成本低。

Description

一种基于混合谐振模式谐振腔的波导滤波天线阵列
技术领域
本发明涉及天线的技术领域，尤其是指一种基于混合谐振模式谐振腔的波导滤波天线阵列。
背景技术
天线阵列由于比单个天线单元具有更高的增益，被广泛应用无线通信系统。随着通信系统的微波环境日益复杂，对通信系统滤波性能的要求日益提高。因为天线作为通信系统中信号发射和接收器件，天线中集成滤波功能可以降低后级网络的设计复杂度。因为腔体谐振器具有较高无载品质因数，所以利用腔体谐振器设计天线时能有效提高天线的辐射效率。引入不同的谐振模式不仅可以提高天线的带宽，而且还可以引入辐射零点提高天线的选择性。因此，设计一种基于混合谐振模式谐振腔的波导滤波天线阵列结构具有很大的应用前景。有不少学者提出了利用腔体实现滤波天线方法。
对现有技术进行调查了解，具体如下：
陈付昌教授等人在2017年提出了利用腔体和天线综合设计的设计方法设计了具有公分和滤波功能的腔体滤波天线阵列，具有良好的滤波特性和辐射特性。
R.H.Mahmud等人在2017年提出了一个利用腔体设计的宽带高增益天线阵列。该阵列实现切比雪夫滤波器的滤波特性。
总的来说，现有的工作中，有不少关于实现腔体滤波天线阵列的研究，但很少腔体天线阵列能产生辐射零点。因此，设计一种基于混合谐振模式谐振腔的波导滤波天线阵列具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种基于混合谐振模式谐振腔的波导滤波天线阵列，利用不同模式组合提高天线的带宽和引入辐射零点，并且利用腔体谐振设计的滤波天线实现低损耗的特性，整个天线阵列结构可靠而且加工方便，选择性高，成本低。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种基于混合谐振模式谐振腔的波导滤波天线阵列，所述天线阵列包括第一金属块、第二金属块、第三金属块、第四金属块、第五金属块、第六金属块、第七金属块、第八金属块、缝隙阵列、第一矩形谐振腔、第一耦合缝隙、第二矩形谐振腔、长方体金属柱、第二耦合缝隙、第三矩形谐振腔、第三耦合缝隙和波导激励端口；所述缝隙阵列设在第一金属块的中心位置，用于辐射能量；所述第一矩形谐振腔设在第二金属块的中心位置，用于产生一个谐振模式；所述第一耦合缝隙设在第三金属块的中心处，用于将第二矩形谐振腔的能量耦合到第一矩形谐振腔上；所述第二矩形谐振腔设在第四金属块的中心位置，并旋转预设角度，用来激励第二矩形谐振腔中的两个谐振模式，所述长方体金属柱设在第二矩形谐振腔中心，且其一端与第四金属块相接，所述长方体金属柱用于提供另一个谐振模式，通过利用谐振腔和金属柱两种不同谐振模式混合利用，实现多模谐振器；所述第二耦合缝隙设在第五金属块的中心位置，并旋转预设角度，且其旋转角度的大小为第二矩形谐振腔旋转角度的两倍，通过第二耦合缝隙将第三矩形谐振腔的能量耦合到第二矩形谐振腔上；所述第三矩形谐振腔设在第六金属块的中心位置，并旋转与第二耦合缝隙相同的角度，通过第三矩形谐振腔产生一个谐振模式；所述第三耦合缝隙设在第七金属块的中心位置，并旋转与第二耦合缝隙相同的角度，通过第三耦合缝隙将波导激励端口的能量耦合到第三矩形谐振腔上；所述波导激励端口设在第八金属块的中心位置，并旋转与第二耦合缝隙相同的角度。
进一步，所述天线阵列能够在9.84GHz-10.16GHz的范围内稳定工作，在9.84GHz-10.16GHz的频率范围内|S11|<-10dB，增益保持在13.5dBi，交叉极化小于-40dBi，且只有一个谐振腔实现三阶滤波特性，并在9.76GHz和10.31GHz两个频率点产生传输零点，实现高选择性的滤波性能。
进一步，所述缝隙阵列由3×4个缝隙天线组成。
进一步，所述波导激励端口的尺寸是标准矩形波导BJ100的尺寸。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明可以在9.84GHz-10.16GHz的范围内稳定工作，且只有一个谐振腔实现三阶滤波特性。
2、本发明在9.84GHz-10.16GHz的频率范围内增益非常平坦，在10dBi左右的范围内维持稳定。
3、本发明利用腔体谐振设计实现低损耗的特性。
4、本发明在9.76GHz和10.31GHz两个频率点产生传输零点，实现高选择性的滤波性能。
5、本发明结构可靠，加工简单，重量轻，加工成本低，选择性高，低损耗，具有很好的应用前景。
附图说明
图1为本发明天线阵列的3D结构图。
图2为本发明天线阵列的主视图。
图3为本发明天线阵列的俯视图。
图4为第一金属块的结构图。
图5为第二金属块的结构图。
图6为第三金属块的结构图。
图7为第四金属块的结构图之一。
图8为第四金属块的结构图之二。
图9为第五金属块的结构图。
图10为第六金属块的结构图。
图11为第七金属块的结构图。
图12为第八金属块的结构图。
图13为本发明天线阵列的S11和增益的仿真结果图。
图14为本发明天线阵列的中心频率的辐射方向图仿真结果图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
参见图1至图12所示，本实施例所提供的基于混合谐振模式谐振腔的波导滤波天线阵列，包括第一金属块1、第二金属块2、第三金属块3、第四金属块4、第五金属块5、第六金属块6、第七金属块7、第八金属块8、缝隙阵列11、第一矩形谐振腔21、第一耦合缝隙31、第二矩形谐振腔41、长方体金属柱42、第二耦合缝隙51、第三矩形谐振腔61、第三耦合缝隙71和波导激励端口81；所述缝隙阵列11设在第一金属块1的中心位置，由3×4个缝隙天线组成，用于辐射能量；所述第一矩形谐振腔21设在第二金属块2的中心位置，用于产生一个谐振模式；所述第一耦合缝隙31设在第三金属块3的中心处，用于将第二矩形谐振腔41的能量耦合到第一矩形谐振腔21上；所述第二矩形谐振腔41设在第四金属块4的中心位置，并旋转一定角度，旋转角度是为了激励第二矩形谐振腔41中的两个谐振模式，所述长方体金属柱42设在第二矩形谐振腔41中心，且其一端与第四金属块4相接，所述长方体金属柱42用于提供另一个谐振模式，通过利用谐振腔和金属柱两种不同谐振模式混合利用，实现多模谐振器；所述第二耦合缝隙51设在第五金属块5的中心位置，并旋转一定角度，且其旋转角度的大小为第二矩形谐振腔41旋转角度的两倍，通过第二耦合缝隙51将第三矩形谐振腔61的能量耦合到第二矩形谐振腔41上；所述第三矩形谐振腔61设在第六金属块6的中心位置，并旋转与第二耦合缝隙51相同的角度，通过第三矩形谐振腔61产生一个谐振模式；所述第三耦合缝隙71设在第七金属块7的中心位置，并旋转与第二耦合缝隙51相同的角度，通过第三耦合缝隙71将波导激励端口81的能量耦合到第三矩形谐振腔61上；所述波导激励端口81设在第八金属块8的中心位置，并旋转与第二耦合缝隙51相同的角度，设计的尺寸为标准矩形波导BJ100的尺寸。
参见图13所示，显示了本实施例上述天线阵列的S11和增益的仿真结果图。从仿真结果可以看到，本发明的天线单元可以在9.84-10.16GHz的范围内稳定工作，在9.84GHz-10.16GHz的频率范围内S11<-10dB，而且在9.84GHz-10.16GHz的频率范围内的增益保持在13.5dBi左右。从辐射效率可以看出，本发明的天线的损耗很低。此外，所发明的天线在9.76GHz和10.31GHz两个频率点产生传输零点，实现高选择性的滤波性能。
参见图14所示，显示了本实施例上述天线阵列的中心频率的辐射方向图仿真结果图，从图中可以看出，其交叉极化小于-40dBi。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于混合谐振模式谐振腔的波导滤波天线阵列，其特征在于：所述天线阵列包括第一金属块、第二金属块、第三金属块、第四金属块、第五金属块、第六金属块、第七金属块、第八金属块、缝隙阵列、第一矩形谐振腔、第一耦合缝隙、第二矩形谐振腔、长方体金属柱、第二耦合缝隙、第三矩形谐振腔、第三耦合缝隙和波导激励端口；所述缝隙阵列设在第一金属块的中心位置，用于辐射能量；所述第一矩形谐振腔设在第二金属块的中心位置，用于产生一个谐振模式；所述第一耦合缝隙设在第三金属块的中心处，用于将第二矩形谐振腔的能量耦合到第一矩形谐振腔上；所述第二矩形谐振腔设在第四金属块的中心位置，并旋转预设角度，用来激励第二矩形谐振腔中的两个谐振模式，所述长方体金属柱设在第二矩形谐振腔中心，且其一端与第四金属块相接，所述长方体金属柱用于提供另一个谐振模式，通过利用谐振腔和金属柱两种不同谐振模式混合利用，实现多模谐振器；所述第二耦合缝隙设在第五金属块的中心位置，并旋转预设角度，且其旋转角度的大小为第二矩形谐振腔旋转角度的两倍，通过第二耦合缝隙将第三矩形谐振腔的能量耦合到第二矩形谐振腔上；所述第三矩形谐振腔设在第六金属块的中心位置，并旋转与第二耦合缝隙相同的角度，通过第三矩形谐振腔产生一个谐振模式；所述第三耦合缝隙设在第七金属块的中心位置，并旋转与第二耦合缝隙相同的角度，通过第三耦合缝隙将波导激励端口的能量耦合到第三矩形谐振腔上；所述波导激励端口设在第八金属块的中心位置，并旋转与第二耦合缝隙相同的角度。
2.根据权利要求1所述的一种基于混合谐振模式谐振腔的波导滤波天线阵列，其特征在于：所述天线阵列能够在9.84GHz-10.16GHz的范围内稳定工作，在9.84GHz-10.16GHz的频率范围内|S11|<-10dB，增益保持在13.5dBi，交叉极化小于-40dBi，且只有一个谐振腔实现三阶滤波特性，并在9.76GHz和10.31GHz两个频率点产生传输零点，实现高选择性的滤波性能。
3.根据权利要求1所述的一种基于混合谐振模式谐振腔的波导滤波天线阵列，其特征在于：所述缝隙阵列由3×4个缝隙天线组成。
4.根据权利要求1所述的一种基于混合谐振模式谐振腔的波导滤波天线阵列，其特征在于：所述波导激励端口的尺寸是标准矩形波导BJ100的尺寸。
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