CN114914697A - 用于全双工通信的双极化频率可重构微带贴片滤波天线 - Google Patents

用于全双工通信的双极化频率可重构微带贴片滤波天线 Download PDF

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张小珂
王雪颖
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Abstract

一种用于全双工通信的双极化频率可重构微带贴片滤波天线，包括层叠设置的底层介质基板、金属反射地板、中间层介质基板、顶层介质基板和微带贴片，底层介质基板的下表面设置有发射端微带馈线，中间层介质基板的上表面设置有隔着顶层基板与微带贴片非接触地交叠的可变电容加载的频率调谐用微带线，微带贴片的水平中分面上设置有一对关于频率调谐用微带线的中心线对称的λ/4 T型微带线谐振器。本发明在微带贴片的接收端口引入一对λ/4T型微带线谐振器，用于产生两个辐射零点以获得良好的滤波性能，并产生可用于扩展天线工作带宽的高频谐振点；通过调节可变电容控制频率调谐用微带线与微带贴片的交叠面积，从而使得微带贴片发射端谐振模式可调谐。

Description

用于全双工通信的双极化频率可重构微带贴片滤波天线
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及用于全双工通信的双极化频率可重构微带贴片滤波天线。
背景技术
当下可以使用的频谱资源非常有限，随着无线通信的快速发展，这些频谱资源变得日益拥挤，如何提高频谱利用率成为关键的研究课题。目前，大多数无线通信系统兼具发射信号和接收信号的终端(比如，基站、继电器以及移动终端)。这些通信系统大多是时分或频分双工通信系统，也就是说这些终端在发射信号和接收信号时不在同一时间或频段内进行。而同时同频全双工通信系统则不同，它可以保证发射信号和接收信号同时并在同一个频率上完成，从而使得数据流的传输速度、无线通信系统的通信容量、频谱利用率翻倍。
实现全双工无线通信系统所面临的最大挑战是要保证发射端和接收端具有足够高的隔离度。全双工通信系统的隔离度是由用于射频前端的同时同频全双工天线、模拟射频自干扰消除阶段以及数字基带自干扰消除阶段贡献的。通过增加全双工天线收发端口之间的隔离度，可以减缓对后面自干扰消除阶段的要求。因此，为了提高频谱资源利用率，研究全双工天线有重大的科研价值。
全双工天线可以通过直接级联双工器、空间分集、近场抵消以及极化分集等方法来实现。其中极化分集以实现高隔离这种方法只需要单根天线，结构很紧凑，水平和垂直两种正交的极化方式路径不相关这一特性，带来天然的高隔离。
但是这种传统的微带贴片天线多是单模工作，工作带宽较窄，不适应高速率、大容量的应用背景。因此拓展全双工天线的带宽很有必要。扩展天线带宽可以通过寄生贴片、引入LC谐振电路或者在辐射贴片上引入缝隙来实现，但这些方法不可避免的会带来复杂的天线结构及较高的剖面。近年来，通过使用特殊形状的馈电结构来扩展带宽及引入滤波性能的方法受到了广泛的关注。通过该方法实现的天线不仅扩展了天线的带宽，还具备良好的滤波性能，而无需任何额外的滤波电路，有效地避免了额外损耗的引入。
另一方面，随着无线通信系统的快速发展，频率可重构通信系统因其对频谱的有效利用而受到越来越多的关注。这类天线可以通过加载可调谐元件来实现，例如，使用pin二极管在多个离散状态之间切换，或者加载可变电容以连续调谐工作状态。此外，采用射频微机电系统(MEMS)或液态金属也可以实现可重构的性能。但是，目前还没有全双工天线兼具频率可重构及宽带滤波性能。
发明内容
本发明的目的在于：克服上述现有技术的缺陷，提出一种用于全双工通信的双极化频率可重构微带贴片滤波天线，该天线基于传统的三端口微带辐射贴片，采用极化分集技术以实现发射端与接收端的高端口隔离。在全双工天线的接收端引入一对λ/4T型微带线谐振器，并与矩形微带贴片耦合。通过有效利用该T型谐振器可以在接收端产生两个辐射零点以获得良好的滤波性能和一个额外的高频谐振点以扩展带宽。将加载有可变电容的频率调谐用微带线嵌入微带贴片天线的两个堆叠基板的中间层作为调谐结构，从而实现微带贴片发射端谐振模式的调谐，而接收端辐射零点和谐振点不受影响，从而实现天线发射端的频率可重构。
为实现本发明目的，本发明提出的用于全双工通信的双极化频率可重构微带贴片滤波天线，包括自下而上依次层叠设置的底层介质基板、金属反射地板、中间层介质基板、顶层介质基板和微带贴片，所述底层介质基板的下表面设置有一根用于耦合馈电的发射端微带馈线，金属反射地板开设有与发射端微带馈线对应的耦合缝隙，其特征在于：所述中间层介质基板的上表面设置有位于发射端微带馈线正上方的隔着顶层基板与微带贴片)非接触地交叠的可变电容加载的频率调谐用微带线，所述微带贴片的水平中分面上设置有一对关于频率调谐用微带线的中心线对称的λ/4T型微带线谐振器。
本发明在微带贴片的接收端口引入一对λ/4T型微带线谐振器，用于产生两个辐射零点以获得良好的滤波性能，并产生可用于扩展天线工作带宽的额外的高频谐振点。为了实现发射端频率可重构功能，沿着x轴方向放置一条非接触式可变电容加载的频率调谐用微带线作为调谐结构。微带线嵌入中间层并与微带贴片部分重叠。穿过顶层基板的通孔用于连接放置在顶层基板上表面的变容管。通过调节可变电容控制频率调谐用微带线与微带贴片的交叠面积，从而使得微带贴片发射端谐振模式可调谐，实现天线发射端频率的可重构。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明可重构微带贴片全双工滤波天线立体图。
图2是本发明可重构微带贴片全双工滤波天线结构示意图。
图3是本发明可重构微带贴片全双工滤波天线发射端及接收端的仿真回波损耗。
图4是本发明可重构微带贴片全双工滤波天线接收端的仿真回波损耗和增益。
图5是本发明可重构微带贴片全双工滤波天线发射端及接收端的端口隔离。
图6是本发明可重构微带贴片全双工滤波天线发射端在可调电容为0.3pF 时2.52GHz处的仿真方向图。
图7是本发明可重构微带贴片全双工滤波天线发射端在可调电容为0.7pF 时2.46GHz处的仿真方向图。
图8是本发明可重构微带贴片全双工滤波天线接收端在2.45GHz处的仿真方向图。
图9是本发明可重构微带贴片全双工滤波天线接收端在2.53GHz处的仿真方向图。
图中标号示意如下：
1-微带贴片，2-接收端微带馈线，3-第三金属化通孔，4-可变电容，5-第一金属化通孔，6-第二金属化通孔，7-顶层介质基板，8-频率调谐用微带线，9-中间层介质基板，10-金属地，11-耦合缝，12-底层介质基板，13-发射端微带馈线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1、图2所示，本实施例用于全双工通信的双极化频率可重构微带贴片滤波天线，其沿xoz轴平面对称。该天线包括自下而上依次层叠设置的底层介质基板12、金属反射地板10、中间层介质基板9、顶层基板7和微带贴片1。底层介质基板12的下表面设置有一根用于耦合馈电的发射端微带馈线13，金属反射地板10开设有与发射端微带馈线13对应的耦合缝隙11。微带贴片1为矩形微带贴片。中间层介质基板9的上表面设置有位于发射端微带馈线13正上方的频率调谐用微带线8，频率调谐用微带线8隔着顶层基板7与微带贴片1非接触地交叠，并且频率调谐用微带线8加载有可变电容4。微带贴片1水平中分面上设置有一对λ/4T型微带线谐振器2，T型微带线谐振器2关于频率调谐用微带线8的中心线对称。所述T型微带线谐振器2通过一对金属化通孔3接地。
频率调谐用微带线8设置在顶层基板7与中间层基板9之间的垂直中分面上设置。可变电容4为变容二极管，频率调谐用微带线8与可变电容4构成非接触式带宽调谐结构。如图所示，可变电容4设置于顶层介质基板7上表面，可变电容4的外端接地，可变电容4内端与频率调谐用微带线8的外端电连接。具体来说，可变电容4的外端通过贯穿贯穿中间层介质基板9和顶层介质基板7 的第一金属化通孔5接地，可变电容4的内端通过贯穿顶层介质基板7的第二金属化通孔6与频率调谐用微带线8的外端电连接。如图1所示，λ/4T型微带线谐振器2通过第三金属化通孔3接地，该第三金属化通孔3贯穿中间层介质基板9和顶层介质基板7。
频率调谐用微带线8与可变电容4构成非接触式带宽调谐结构，通过调整可变电容的容值C来调谐所述微带贴片天线的发射端工作频率，本发明实施例对天线各部分的尺寸进行优化，具体的天线的参数见下表：
参数 l<sub>g</sub> h<sub>1</sub> h<sub>2</sub> h<sub>3</sub> l<sub>p</sub> w<sub>f</sub> l<sub>f</sub> d
值(mm) 90 0.813 1.524 1.524 30.5 3.5 9 4.8
参数 w l<sub>i</sub> l<sub>s</sub> w<sub>s</sub> w<sub>f2</sub> l<sub>f2</sub> w<sub>r</sub> l<sub>r</sub>
值(mm) 3 7.6 14 1.2 4.8 22 1.04 14.6
表中，h1、h2、h3分别为顶层介质基板7、中间层介质基板9和底层介质基板12的高度，lp为微带贴片1的边长，d为接收端T型微带线谐振器2与微带贴片1边缘的距离，w为频率调谐用微带线8的宽度，li为频率调谐用微带线8 隔着顶层基板7与微带贴片1非接触式交叠的长度，ls和ws分别为发射端耦合缝隙11的长度和宽度，lr和wr分别为T型微带线谐振器2枝节的长度和宽度。
设计中采用的基板是Rogers RO4003，其介电常数为εr＝3.38，损耗角正切为tanδ＝2.7×10-3，顶层基板7的体积为lg×lg×h1，中间层基板9的体积为lg×lg×h2，底层基板12的体积为lg×lg×h3，中间层基板9为双面印刷电路板，双面印刷电路板9的上表面为频率调谐用微带线8，下表面为金属反射地板11。
图3为本实例频率可重构微带贴片全双工滤波天线发射端在不同容值下的仿真反射系数及接收端的仿真反射系数，频率调节范围为4.5％。从图中可知：发射端工作频率随着C增加而下移。
图4为本实例频率可重构微带贴片全双工滤波天线接收端的的仿真反射系数及增益，带宽为4％，带内最大增益为6.8dBi。
图5为本实例频率可重构微带贴片全双工滤波天线发射端与接收端的端口隔离，隔离度大于65dB。
图6-图7为天线发射端在不同可变电容容值0.3pF、0.7pF处的仿真E面和 H面辐射方向图。从图中可知：天线的交叉极化比主极化至少低20dB，同时可以推测出天线在整个频率调谐范围中都能展示出稳定的宽边辐射方向图。
图8-图9为天线接收端在2.45GHz、2.53GHz处的仿真E面和H面辐射方向图。从图中可知：天线的交叉极化比主极化至少低20dB。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (10)

1. 一种用于全双工通信的双极化频率可重构微带贴片滤波天线，包括自下而上依次层叠设置的底层介质基板（12）、金属反射地板（10）、中间层介质基板（9）、顶层介质基板（7）和微带贴片（1），所述底层介质基板（12）的下表面设置有一根用于耦合馈电的发射端微带馈线（13），金属反射地板（10）开设有与发射端微带馈线（13）对应的耦合缝隙（11），其特征在于：所述中间层介质基板（9）的上表面设置有位于发射端微带馈线（13）正上方的隔着顶层基板（7）与微带贴片（1）非接触地交叠的可变电容（4）加载的频率调谐用微带线（8），所述微带贴片（1）的水平中分面上设置有一对关于频率调谐用微带线（8）的中心线对称的λ/4 T型微带线谐振器（2）。
2.根据权利要求1所述的用于全双工通信的双极化频率可重构微带贴片滤波天线，其特征在于：所述频率调谐用微带线（8）与可变电容（4）构成非接触式频率调谐结构。
3.根据权利要求1所述的用于全双工通信的双极化频率可重构微带贴片滤波天线，其特征在于：所述可变电容（4）设置于顶层介质基板（7）上表面，可变电容（4）的外端通过第一金属化通孔（5）接地，可变电容（4）的内端通过第二金属化通孔（6）与频率调谐用微带线（8）的外端电连接。
4.根据权利要求3所述的用于全双工通信的双极化频率可重构微带贴片滤波天线，其特征在于：所述可变电容（4）的外端通过贯穿中间层介质基板（9）和顶层介质基板（7）的第一金属化通孔（5）与金属反射地板（10）电连接，所述第二金属化通孔（6）贯穿顶层介质基板（7）。
5. 根据权利要求1所述的用于全双工通信的双极化频率可重构微带贴片滤波天线，其特征在于：所述λ/4 T型微带线谐振器（2）通过第三金属化通孔（3）接地。
6. 根据权利要求5所述的用于全双工通信的双极化频率可重构微带贴片滤波天线，其特征在于：所述λ/4 T型微带线谐振器（2）通过贯穿中间层介质基板（9）和顶层介质基板（7）的第三金属化通孔（3）与金属反射地板（10）电连接。
7.根据权利要求1所述的用于全双工通信的双极化频率可重构微带贴片滤波天线，其特征在于：所述频率调谐用微带线（8）位于中间层介质基板（9）的垂直中分面上。
8.根据权利要求1所述的用于全双工通信的双极化频率可重构微带贴片滤波天线，其特征在于：通过调整可变电容（4）的电容值来控制频率调谐用微带线（8）与微带贴片（1）的交叠面积，从而调谐所述微带贴片滤波天线的发射端工作频率。
9.根据权利要求1所述的用于全双工通信的双极化频率可重构微带贴片滤波天线，其特征在于：所述可变电容（4）为变容二极管。
10.根据权利要求1所述的用于全双工通信的频率可重构双极化微带贴片滤波天线，其特征在于：所述微带贴片（1）为矩形微带贴片。
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