CN114039214A - 一种新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线，天线单元由第一金属片(1)、第一介质板(2)、第二金属片(3)、第二介质板(9)、第三介质板(10)、第三金属片(11)和加载在单元上的四个二极管(5)、(6)、(7)、(8)组成。第一金属片和第三金属片设置为尺寸相同的方形贴片。第二金属片设置为蚀刻着方环槽(4)的方形贴片，其中贴片尺寸与单元横截面尺寸相同。方环槽对称加载着四个二极管，通过电控四个二极管处于导通或截止状态，单元可以工作在反射和透射两种工作状态。反射和透射工作状态的3dB带宽分别为75％和67％，具有宽带滤波特性。上述单元按等间距构成二维平面阵列天线可在反射和透射状态进行切换实现滤波功能。

Description

一种新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线
技术领域
本发明属于天线领域，具体涉及一种新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线单元。
背景技术
由于现代无线通信技术的迅猛发展，无线通信技术目前在发生着巨大的变革，对于通信行业的发展来说这既是机遇同时也是一个巨大的挑战。当今对通信电子设备要求为小型化、集成化以及智能化。在射频前端中不可或缺的器件滤波器和天线，其发展也受到了巨大的挑战。而将滤波器和天线进行集成后设计而成的滤波天线。由于在系统中天线和滤波器不存在有外接匹配电路，有效减小了系统损耗，提升了系统的稳定性，减小了系统的尺寸以及增加了系统稳定性。而结合了可重构技术的天线满足了现代通信的多功能化要求，通过改变开关器件的工作状态，实现天线多功能切换。结合了可重构技术的滤波天线不仅可以满足天线的多功能化同时还增加了天线的稳定度减少了带外杂波干扰。
本发明提出了一种新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线单元。本发明基于多层频率选择表面技术，新型宽带反射和透射可重构阵列滤波天线单元的结构上采用互易的槽型和方形金属片。通过改变加载在开槽型金属片槽间的四个二极管通断状态，实现了新型宽带反射和透射可重构滤波天线单元可以在透射和反射工作状态之间自由切换。基于该单元的滤波阵列天线可以减少系统损耗提升系统的集成度，减小系统的整体体积。在滤波天线的基础上结合可重构技术后可以实现了电磁特性可重构、频率可重构等以及实现滤波天线的带外抑制可重构等特性，提升了天线的灵活性，使其从特定的工作环境转换到可应用于多种环境。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线单元。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线单元，该滤波阵列天线单元自上至下包括：第一金属片(1)、第一介质板(2)、第二金属片(3)、第二介质板 (9)、第三介质板(10)、第三金属片(11)；所提出的新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线单元是平面结构，且沿xoy水平放置；
进一步，所述新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线单元的第一金属片(1) 位于第一介质板(2)上侧；所述第一金属片(1)设置为方形贴片结构；第二金属片(3)位于第二介质板(9)上侧；所述第二金属片(3)设置为蚀刻着方环槽(4)结构的方形贴片，其中贴片尺寸与单元横截面尺寸相同；方环槽上加载了对称的第一个二极管(5)、第二个二极管(6)、第三个二极管(7)和第四个二极管(8)；第三金属片(11)位于第三介质板(10)下侧；所述第三金属片(11) 同样设置为与第一金属片(1)尺寸相同的方形贴片结构；
进一步，所述新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线单元的第一介质板 (2)、第二介质板(9)、第三介质板(10)的尺寸和厚度相同，且相邻两个介质板间相隔厚度相同的空气介质层；第一介质板(2)、第二介质板(9)和第三介质板(10)都设置为Rogers3003，介电常数是3.0，损耗角的正切值是0.0013；
进一步，所述新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线单元采用全对称结构设计，具有双线极化的特性；入射波不论是x极化还是沿y极化，单元都可以正常工作；
进一步，所述新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线单元通过电控加载在方环槽(4)间的第一个二极管(5)、第二个二极管(6)、第三个二极管(7)和第四个二极管(8)状态可以实现反射和透射性能切换；
进一步，当所述新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线单元加载的二极管全部导通时，方环槽(4)呈现短路状态，第二金属片(3)相当于一块完整方形金属片；第一金属片(1)、第二金属片(3)和第一介质板(2)共同组成一个反射表面；入射波经过反射表面后产生反射，构成了反射型滤波天线；
进一步，当所述新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线单元加载的二极管全部截止时，方环槽(4)呈现开路状态；第二金属片(3)中间的方形金属片与第一金属片(1)和第三金属片(11)尺寸结构完全相同，整个单元结构等效为具有带通特性的频率选择表面；频率满足要求的入射波可以顺利通过单元实现透射，构成了透射型的滤波天线；
进一步，所述新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线单元工作在反射和透射状态时对应的反射损耗和透射损耗较小，滤波阵列天线单元具有宽带特性；
进一步，使用所述新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线单元等间距构成的二维平面阵列天线可以在反射和透射方向进行自由切换，实现滤波功能。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线单元基于多层频率选择表面技术，无需外接滤波器结构和外围电路就可以实现滤波功能；
2.本发明的新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线单元只需要在中间单层金属片上开槽加载二极管就可以实现天线的可重构性能，天线结构简单易于加工和集成；
3.本发明新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线通过调整加载二极管的状态就可以实现反射和透射滤波性能，比传统的滤波天线功能更多；
4.本发明的新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线具有中心对称特点，因此可以工作在双线极化和圆极化条件下；
5.本发明的新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线单元在中心频率10.0 GHz处，反射和透射两种工作状态下的反射系数和透射系数都接近0dB。反射和透射两种工作状态下的3dB带宽分别为75％(5.0GHz-12.5GHz)和67％ (8.3GHz-15.0GHz)。因此天线单元工作在反射和透射状态时对应的反射损耗和透射损耗较小，且具有宽带特性。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
1-第一金属片，2-第一介质板，3-第二金属片，4-方环槽，5-第一个二极管， 6-第二个二极管，7-第三个二极管，8-第四个二极管，9-第二介质板，10-第三介质板，11-第三金属片。
图1为本发明的新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线单元结构的爆炸图；
图2为本发明的新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线单元第二金属片 (3)的俯视图；
图3为本发明的新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线单元二极管全部导通，阵列天线单元工作在反射模式时的反射系数S11和透射系数S21曲线；
图4为本发明的新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线单元二极管全部截止，阵列天线单元工作在透射模式时的反射系数S11和透射系数S21曲线；
图5为本发明的新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线二极管全部导通，阵列天线工作在反射模式时的反射波三维远场方向图；
图6为本发明的新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线二极管全部截止，阵列天线工作在透射模式时的透射波三维远场方向图；
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。根据以下说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰的辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征、优点能够更加明显易懂，请参阅附图。
本发明提供了一种新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线单元，具体实施方式如下：
本发明中，滤波阵列天线单元的工作频点为10.0GHz，单元间距P选为10 mm。
参阅图1和图2，新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线单元由第一金属片(1)、第一介质板(2)、第二金属片(3)、第二介质板(9)、第三介质板(10) 和第三金属片(11)和加载在方环槽(4)间的第一个二极管(5)、第二个二极管 (6)、第三个二极管(7)和第四个二极管(8)共同组成；所述新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线单元是平面结构，且沿xoy水平放置；所述新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线单元的第一金属片(1)位于第一介质板(2)上侧；所述第一金属片(1)设置为方形贴片结构，第一金属片(1)的边长L设置为5.5 mm；所述第二金属片(3)设置为蚀刻着方环槽(4)结构的方形贴片，槽的宽度设置为c＝0.75mm，其中贴片尺寸与单元横截面尺寸相同设置为P＝10mm；方环槽(4)上加载了对称的第一个二极管(5)、第二个二极管(6)、第三个二极管(7)和第四个二极管(8)；第三金属片(11)位于第三介质板(10)下侧；所述第三金属片(11)同样设置为与第一金属片(1)尺寸相同的方形贴片结构；所述新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线的第一介质板(2)、第二介质板(9)、第三介质板(10)的尺寸和材质相同，尺寸与单元横截面尺寸相同均设置为P＝10mm，厚度均设置为h1＝0.254mm，材质都设置为Rogers3003，介电常数是3，损耗角的正切值是0.0013；且相邻的两个介质板间相隔厚度为h2＝1mm的空气介质层；
图3是新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线单元上加载的第一个二极管(5)、第二个二极管(6)、第三个二极管(7)和第四个二极管(8)全部导通时的单元反射系数S11和透射系数S21曲线；二极管全导通时，方环槽(4)呈现短路状态，第二金属片(3)相当于一块完整方形金属片；第一金属片(1)、第二金属片(3)和第一介质板(2)共同组成一个反射表面；入射波经过反射表面后产生反射，构成了反射型滤波天线；单元在5.0GHz到12.5GHz整个频段内的反射系数S11均大于-3dB，天线单元工作在反射状态时的3dB工作带宽为75％；
图4是新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线单元上加载的第一个二极管(5)、第二个二极管(6)、第三个二极管(7)和第四个二极管(8)全部截止时的单元反射系数S11和透射系数S21曲线；二极管全截止时，方环槽(4)呈现开路状态；第二金属片(3)的中间方形金属片与第一金属片(1)和第三金属片 (11)尺寸结构完全相同，整个单元结构等效为具有带通特性的频率选择表面；频率满足要求的入射波可以顺利通过单元实现透射，构成了透射型的滤波天线；单元在8.3GHz到15.0GHz整个频段内的反射系数S21均大于-3dB，天线单元工作在透射状态时的3dB工作带宽为67％；
参阅图5，使用所述新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线单元等间距构成了一个4×4的二维平面阵列天线；当加载在阵列天线上的二级管全部导通时，阵列天线的辐射波束方向(+z方向)与入射平面波方向(+k方向)相反，入射波经阵列天线后被反射，阵列天线呈反射特性；
参阅图6，使用所述新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线单元等间距构成了一个4×4的二维平面阵列天线；当加载在阵列天线上的二级管全部截止时，阵列天线的辐射波束方向(-z方向)与入射平面波方向(+k方向)相同，入射波经阵列天线后透射，阵列天线呈透射特性；
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线，该滤波阵列天线单元自上至下包括：第一金属片(1)、第一介质板(2)、第二金属片(3)、第二介质板(9)、第三介质板(10)、第三金属片(11)；所提出的新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线单元是平面结构，且沿xoy水平放置。
2.根据权利要求1，所述新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线单元的第一金属片(1)位于第一介质板(2)上侧；所述第一金属片(1)设置为方形贴片结构；第二金属片(3)位于第二介质板(9)上侧；所述第二金属片(3)设置为蚀刻着方环槽(4)结构的方形贴片，其中贴片尺寸与单元横截面尺寸相同；方环槽(4)加载了对称的第一个二极管(5)、第二个二极管(6)、第三个二极管(7)和第四个二极管(8)；第三金属片(11)位于第三介质板(10)下侧；所述第三金属片(11)同样设置为与第一金属片(1)尺寸相同的方形结构。
3.根据权利要求1，所述新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线单元的第一介质板(2)、第二介质板(9)、第三介质板(10)的尺寸和厚度相同，且相邻两个介质板间相隔厚度相同的空气介质层；第一介质板(2)、第二介质板(9)和第三介质板(10)都设置为Rogers3003，介电常数是3.0，损耗角的正切值是0.0013。
4.根据权利要求1，所述新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线单元采用全对称结构设计，具有双线极化的特性；入射波不论是x极化还是沿y极化，单元都可以正常工作。
5.根据权利要求1和权利要求2，所述新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线单元通过改变加载在方环槽(4)间的第一个二极管(5)、第二个二极管(6)、第三个二极管(7)和第四个二极管(8)状态可以实现反射和透射性能切换。
6.根据权利要求1，当所述新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线单元加载的二极管全部导通时，方环槽(4)呈现短路状态，第二金属片(3)相当于一块完整方形金属片；第一金属片(1)、第二金属片(3)和第一介质板(2)共同组成一个反射表面；入射波经过反射表面后产生反射，构成了反射型滤波天线。
7.根据权利要求1，当所述新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线单元加载的二极管全部截止时，方环槽(4)呈现开路状态；第二金属片(3)的中间方形金属片与第一金属片(1)和第三金属片(11)尺寸结构完全相同，整个单元结构等效为具有带通特性的三层频率选择表面；频率满足要求的入射波可以顺利通过单元实现透射，构成了透射型滤波天线。
8.根据权利要求1，所述新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线单元在中心频率10.0GHz处，反射和透射两种工作状态下的反射系数和透射系数都接近0dB。反射和透射两种工作状态下的3dB带宽分别为75％(5.0GHz-12.5GHz)和67％(8.3GHz-15.0GHz)。因此天线单元工作在反射和透射状态时对应的反射损耗和透射损耗较小，且具有宽带特性。
9.根据权利要求1，使用所述新型宽带反射和透射可重构滤波阵列天线单元等间距构成二维平面阵列天线可以在反射和透射状态进行切换，实现滤波功能。
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