CN116995435A - 一种频率扫描介质谐振器滤波天线 - Google Patents

一种频率扫描介质谐振器滤波天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种频率扫描介质谐振器滤波天线，属于微波通信技术领域。解决了现有电控波束扫描天线，尺寸较大且结构复杂的技术问题。其技术方案为：一种频率扫描介质谐振器滤波天线，包括顶层介质条带、顶层基片层、中间金属层结构、底层介质基板和底层金属层结构。本发明的有益效果为：本发明通过单侧槽耦合激励四个短路接地的介质条带谐振器，使得天线获得滤波性能的同时减小了天线设计的复杂度。

Description

一种频率扫描介质谐振器滤波天线
技术领域
本发明涉及微波通信技术领域，尤其涉及一种频率扫描介质谐振器滤波天线。
背景技术
具有波束扫描功能的天线能够随着频率或相位分布的变化改变波束指向。波束扫描天线大致可以分为机械扫描和电控波束扫描。传统的机械扫描在有些场合是一种非常有效的波束扫描方案，但是它存在着体积大，能耗高，灵敏度相对较低的缺点，且天线转动时所产生的反作用力对于一些运动载体也可能产生影响。电控波束扫描可以被分为频率扫描和相控阵扫描。频率扫描是通过改变工作频率来实现波束扫描，最常见的为漏波天线，通过波沿着结构传播时泄露的能量实现波束扫描，不同的频率对应不同的波束指向，但通常需要较长尺寸才能获得波束扫描及高辐射效率。相控阵扫描是通过控制天线单元的相位来实现波束扫描，需要一定数量的相位控制单元。上述两种电控波束扫描天线，尺寸较大且结构复杂，如果基于单个天线单元能够获得波束扫描功能，将有利于减少系统复杂度及尺寸，并降低成本。介质谐振器滤波天线具有低损耗、高设计自由度、高频率选择性等特点，基于介质谐振器滤波天线实现波束扫描，将有利于波束扫描天线的进一步发展与应用推广。
目前基于介质谐振器实现的波束扫描天线没有关注滤波特性，大多数需要多个介质谐振器天线单元以及多个相控单元来实现波束扫描，导致天线整体尺寸增大、系统复杂度增加。少数不需要多个介质谐振器天线单元，但是需要引入具有切换功能的导向器来实现方向图的可重构，进而实现波束扫描，虽然该方法只需要一个天线单元，降低天线整体尺寸，但是也需要引入导向器来实现波束扫描，导致系统复杂度增加。为此，降低基于介质谐振器实现的波束扫描天线系统的复杂度具有一定的研究价值。
目前现存的波束扫描介质谐振器天线没有关注滤波功能，大多数需要多个介质谐振器天线单元以及多个相控单元，导致天线整体尺寸增大、系统复杂度增加。少数不需要多个介质谐振器天线单元，但是需要引入具有切换功能的导向器导致系统复杂度增加。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单的频率扫描介质谐振器滤波天线，通过单侧槽耦合激励四个短路接地的介质条带谐振器，使得天线获得滤波性能的同时减小了天线设计的复杂度。
为了实现上述发明目的，本发明采用技术方案具体为：一种频率扫描介质谐振器滤波天线，其中，包括顶层介质条带1、顶层基片层2、中间金属层结构3、底层介质基板4和底层金属层结构5；
所述顶层介质条带1由平行放置的介质条带I11、介质条带II12、介质条带III13、介质条带(14构成，分别两两对称设置在所述顶层基片层2中部；
在所述顶层基片层2中引入与每一个介质条带相对应的金属柱21，每个金属柱21顶面连接顶层介质条带1，其底面连接中间金属层结构3；所述顶层介质条带1、顶层基片层2中的金属柱21以及中间金属层结构3构成接地结构；
所述中间金属层结构3刻蚀有单侧耦合槽31，位于其中一对介质条带I11和介质条带II12的下方；
所述底层金属层结构5与顶层介质条带1相互平行且靠近于单侧耦合槽31一侧。
作为本发明提供的一种频率扫描介质谐振器滤波天线进一步优选方案，所述顶层介质条带1为高介电常数介质条带，所述顶层基片层2为低介电常数基片层。
作为本发明提供的一种频率扫描介质谐振器滤波天线进一步优选方案，每个所述金属柱21分别设置在与其对应的介质条带I11、介质条带II12或介质条带III13、介质条带(14的外侧。
作为本发明提供的一种频率扫描介质谐振器滤波天线进一步优选方案，所述顶层介质条带1、顶层基片层2以及中间金属层结构3构成介质谐振器；中间金属层结构3、底层介质基板4及底层金属层结构5构成微带线，形成微带馈电结构。
作为本发明提供的一种频率扫描介质谐振器滤波天线进一步优选方案，所述顶层介质条带1由四条平行放置的介质条带I11、介质条带II12、介质条带III13、介质条带14构成。
作为本发明提供的一种频率扫描介质谐振器滤波天线进一步优选方案，所述顶层介质条带1的介电常数89.5，长在0.17λ0-0.19λ0之间，宽在0.06λ0-0.08λ0之间；
所述介质条带I11和介质条带III13在同一条水平线上，介质条带II12和介质条带14在一条水平线上；
所述介质条带I11和介质条带II12在同一条垂直线上，且间距为0.15λ0；
所述介质条带III13和介质条带14在同一条垂直线上，且间距为0.15λ0。
作为本发明提供的一种频率扫描介质谐振器滤波天线进一步优选方案，所述单侧耦合槽31长度在0.13λ0-0.17λ0之间，宽度在0.03λ0-0.07λ0之间。
作为本发明提供的一种频率扫描介质谐振器滤波天线进一步优选方案，所述单侧槽31耦合激励四个中心对称分布排列的短路接地的介质谐振器，获得两个不同电场分布特点的工作模式，用于滤波功能的同时实现波束扫描。
作为本发明提供的一种频率扫描介质谐振器滤波天线进一步优选方案，四个短路接地的介质条带I11、介质条带II12、介质条带III13、介质条带14呈中心对称分布；
所述介质条带I11、介质条带II12、顶层基片层2以及中间金属层结构3构成介质条带谐振器11、12；
所述介质条带III13、介质条带14、顶层基片层2以及中间金属层结构3构成介质条带谐振器13、14；
所述介质条带谐振器11、12与所述介质条带谐振器13、14在一条水平线上，介质条带谐振器11、12两两与介质条带谐振器13、14相互奇模耦合，构建辐射频带，所述介质条带谐振器11、12与介质条带谐振器13、14两两相互偶模耦合，电场抵消形成辐射零点，用于实现滤波特性。
作为本发明提供的一种频率扫描介质谐振器滤波天线进一步优选方案，所述位于中间金属层结构3的单侧耦合槽31与四个介质条带相互垂直，位于其中心的一侧侧边，且位于介质条带谐振器11、12的下方，分别激励出介质条带谐振器11、12的工作模式以及介质条带谐振器11、12、13、14整体的工作模式，且两个谐振模式的电场分布不同用于激励两个不同电场分布特点的工作模式，实现频扫特性。
本发明的实际工作过程：对于所提出的频率扫描介质谐振器滤波天线，信号通过底层金属层结构5馈入，经过中间层金属结构3上的单侧耦合槽31耦合到介质条带谐振器11、12上，激励出介质条带谐振器11、12的TM1δ模，然后经介质条带谐振器11、12与介质条带谐振器13、14奇模耦合激励出介质条带谐振器11、12、13、14整体的TM1δ模，进而形成辐射频带，两个模式电场分布的不同特点使得对应的辐射方向图获得不同的波束指向，因此能有效提升天线的波束扫描范围；当介质条带谐振器11、12与介质条带谐振器13、14偶模耦合时，谐振器两端沿着x方向的电场分布方向相反，在天线的顶点处相互抵消，因此在高频工作频带的高频侧产生辐射零点。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、单侧耦合槽31耦合激励四个中心对称分布排列的短路接地介质条带谐振器，获得两个不同电场分布特点的工作模式，在实现滤波功能的同时具有波束扫描的特点，避免了多个相控单元以及导向器的引入，能够有效地降低系统地复杂度。
2、四个短路接地的介质条带谐振器呈现中心对称分布，介质条带谐振器11、12分别与介质谐振器13、14在一条水平线上，一方面介质条带谐振器11、12便于两两与介质条带谐振器13、14相互奇模耦合，构建辐射频带，另一方面介质条带谐振器11、12与介质条带谐振器13、14便于两两相互偶模耦合，电场抵消形成辐射零点，从而实现滤波特性。
3、位于中间层的单侧耦合槽31与四个介质条带相互垂直且位于中心的一侧侧边，且位于单侧耦合槽3111、12的下方，能够分别激励出介质条带谐振器11、12的工作模式以及介质条带谐振器11、12、13、14整体的工作模式，且两个谐振模式的电场分布不同便于激励两个不同电场分布特点的工作模式，从而有利于实现频扫特性。
4、本发明所提出的频率扫描介质谐振器滤波天线，信号通过底层金属层结构5馈入，经过中间层金属结构3上的单侧耦合槽31耦合到介质条带谐振器11、12上，激励出介质条带谐振器11、12的TM1δ模，然后经介质条带谐振器11、12与介质条带谐振器13、14奇模耦合激励出介质条带谐振器11、12、13、14整体的TM1δ模，进而形成辐射频带，两个模式电场分布的不同特点使得对应的辐射方向图获得不同的波束指向，因此能有效提升天线的波束扫描范围；
5、当介质条带谐振器11、12与介质条带谐振器13、14偶模耦合时，谐振器两端沿着x方向的电场分布方向相反，在天线的顶点处相互抵消，因此在高频工作频带的高频侧产生辐射零点。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1为本发明频率扫描介质谐振器滤波天线结构示意图；
其中，(a)为剖面图；(b)为顶层介质条带结构图；(c)为中间金属层结构图；(d)为底层金属层结构图。
图2为本发明实施例中天线的仿真阻抗匹配和增益曲线图。
图3为本发明实施例中天线分别在7.3GHz、7.7GHz、8GHz处的天线方向图；其中，(a)天线在7.3GHz的方向图；(b)为天线在7.7GHz方向图；(c)为天线在8GHz处的方向图。
具体实施方式
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。当然，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
参见图1所示，本实施例提供的技术方案为，一种频率扫描介质谐振器滤波天线，
其中，包括顶层介质条带1、顶层基片层2、中间金属层结构3、底层介质基板4和底层金属层结构5；
顶层介质条带1由平行放置的介质条带I11、介质条带II12、介质条带III13、介质条带14构成，分别两两对称设置在顶层基片层2中部；
在顶层基片层2中引入与每一个介质条带相对应的金属柱21，每个金属柱21顶面连接顶层介质条带1，其底面连接中间金属层结构3；顶层介质条带1、顶层基片层2中的金属柱21以及中间金属层结构3构成接地结构；
中间金属层结构3刻蚀有单侧耦合槽31，位于其中一对介质条带I11和介质条带II12的下方；
底层金属层结构5与顶层介质条带1相互平行且靠近于单侧耦合槽31一侧。
具体地，顶层介质条带1为高介电常数介质条带，顶层基片层2为低介电常数基片层。
具体地，每个金属柱21分别设置在与其对应的介质条带I11、介质条带II12或介质条带III13、介质条带14的外侧。
作为本发明提供的一种频率扫描介质谐振器滤波天线进一步优选方案，顶层介质条带1、顶层基片层2以及中间金属层结构3构成介质谐振器；中间金属层结构3、底层介质基板4及底层金属层结构5构成微带线，形成微带馈电结构。
具体地，顶层介质条带1由四条平行放置的介质条带I11、介质条带II12、介质条带III13、介质条带14构成。
具体地，顶层介质条带1的介电常数89.5，长在0.17λ0-0.19λ0之间，宽在0.06λ0-0.08λ0之间；
介质条带I11和介质条带III13在同一条水平线上，介质条带II12和介质条带14在一条水平线上；
介质条带I11和介质条带II12在同一条垂直线上，且间距为0.15λ0；
介质条带III13和介质条带14在同一条垂直线上，且间距为0.15λ0。
具体地，单侧耦合槽31长度在0.13λ0-0.17λ0之间，宽度在0.03λ0-0.07λ0之间。
具体地，单侧槽31耦合激励四个中心对称分布排列的短路接地的介质谐振器，获得两个不同电场分布特点的工作模式，用于滤波功能的同时实现波束扫描。
具体地，四个短路接地的介质条带I11、介质条带II12、介质条带III13、介质条带14呈中心对称分布；
介质条带I11、介质条带II12、顶层基片层2以及中间金属层结构3构成介质条带谐振器11、12；
介质条带III13、介质条带14、顶层基片层2以及中间金属层结构3构成介质条带谐振器13、14；
介质条带谐振器11、12与介质条带谐振器13、14在一条水平线上，介质条带谐振器11、12两两与介质条带谐振器13、14相互奇模耦合，构建辐射频带，介质条带谐振器11、12与介质条带谐振器13、14两两相互偶模耦合，电场抵消形成辐射零点，用于实现滤波特性。
具体地，位于中间金属层结构3的单侧耦合槽31与四个介质条带相互垂直，位于其中心的一侧侧边，且位于介质条带谐振器11、12的下方，分别激励出介质条带谐振器11、12的工作模式以及介质条带谐振器11、12、13、14整体的工作模式，且两个谐振模式的电场分布不同用于激励两个不同电场分布特点的工作模式，实现频扫特性。
本发明的实际工作过程：对于所提出的频率扫描介质谐振器滤波天线，信号通过底层金属层结构5馈入，经过中间层金属结构3上的单侧耦合槽31耦合到介质条带谐振器11、12上，激励出介质条带谐振器11、12的TM1δ模，然后经介质条带谐振器11、12与介质条带谐振器13、14奇模耦合激励出介质条带谐振器11、12、13、14整体的TM1δ模，进而形成辐射频带，两个模式电场分布的不同特点使得对应的辐射方向图获得不同的波束指向，因此能有效提升天线的波束扫描范围；当介质条带谐振器11、12与介质条带谐振器13、14偶模耦合时，谐振器两端沿着x方向的电场分布方向相反，在天线的顶点处相互抵消，因此在高频工作频带的高频侧产生辐射零点。
本实施例仿真的阻抗匹配及增益如图2所示，该实施例的工作频带覆盖7.3-8.0GHz，相对带宽为9.1％，工作频带内的最大增益为5.7dBi，辐射零点位于8.25GHz，在高频处具有一定的频率选择性。
图3是实施例天线在7.3GHz、7.7GHz、8GHz处的天线方向图，可见该天线具有频率扫描功能，且波束指向为14°-41°。本实施例采用RO4003C基板，其介电常数为3.38，损耗角为0.0027，厚度为3.048mm。
实施例2
在实施例1基础上，其他内容与实施例1相同，本实施例采用的基板为RO4003C基板，其介电常数为3.38，损耗角为0.0027，采用的介质条带的介电常数为89.5，损耗角为0.0004。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种频率扫描介质谐振器滤波天线，其特征在于，包括顶层介质条带(1)、顶层基片层(2)、中间金属层结构(3)、底层介质基板(4)和底层金属层结构(5)；
所述顶层介质条带(1)由平行放置的介质条带I(11)、介质条带II(12)、介质条带III(13)、介质条带(14)构成，分别两两对称设置在所述顶层基片层(2)中部；
在所述顶层基片层(2)中引入与每一个介质条带相对应的金属柱(21)，每个金属柱(21)顶面连接顶层介质条带(1)，其底面连接中间金属层结构(3)；所述顶层介质条带(1)、顶层基片层(2)中的金属柱(21)以及中间金属层结构(3)构成接地结构；
所述中间金属层结构(3)刻蚀有单侧耦合槽(31)，位于其中一对介质条带I(11)和介质条带II(12)的下方；
所述底层金属层结构(5)与顶层介质条带(1)相互平行且靠近于单侧耦合槽(31)一侧。
2.根据权利要求1所述的一种频率扫描介质谐振器滤波天线，其特征在于，所述顶层介质条带(1)为高介电常数介质条带，所述顶层基片层(2)为低介电常数基片层。
3.根据权利要求1所述的一种频率扫描介质谐振器滤波天线，其特征在于，每个所述金属柱(21)分别设置在与其对应的介质条带I(11)、介质条带II(12)或介质条带III(13)、介质条带(14)的外侧。
4.根据权利要求2所述的一种频率扫描介质谐振器滤波天线，其特征在于，所述顶层介质条带(1)、顶层基片层(2)以及中间金属层结构(3)构成介质谐振器；中间金属层结构(3)、底层介质基板(4)及底层金属层结构(5)构成微带线，形成微带馈电结构。
5.根据权利要求1所述的一种频率扫描介质谐振器滤波天线，其特征在于，所述顶层介质条带(1)由四条平行放置的介质条带I(11)、介质条带II(12)、介质条带III(13)、介质条带(14)构成。
6.根据权利要求5所述的一种频率扫描介质谐振器滤波天线，其特征在于，所述顶层介质条带(1)的介电常数89.5，长在0.17λ0-0.19λ0之间，宽在0.06λ0-0.08λ0之间；
所述介质条带I(11)和介质条带III(13)在同一条水平线上，介质条带II(12)和介质条带(14)在一条水平线上；
所述介质条带I(11)和介质条带II(12)在同一条垂直线上，且间距为0.15λ0；
所述介质条带III(13)和介质条带(14)在同一条垂直线上，且间距为0.15λ0。
7.根据权利要求1所述的一种频率扫描介质谐振器滤波天线，其特征在于，所述单侧耦合槽(31)长度在0.13λ0-0.17λ0之间，宽度在0.03λ0-0.07λ0之间。
8.根据权利要求7所述的一种频率扫描介质谐振器滤波天线，其特征在于，所述单侧槽(31)耦合激励四个中心对称分布排列的短路接地的介质谐振器，获得两个不同电场分布特点的工作模式，用于滤波功能的同时实现波束扫描。
9.根据权利要求1所述的一种频率扫描介质谐振器滤波天线，其特征在于，四个短路接地的介质条带I(11)、介质条带II(12)、介质条带III(13)、介质条带(14)呈中心对称分布；
所述介质条带I(11)、介质条带II(12)、顶层基片层(2)以及中间金属层结构(3)构成介质条带谐振器(11、12)；
所述介质条带III(13)、介质条带(14)、顶层基片层(2)以及中间金属层结构(3)构成介质条带谐振器(13、14)；
所述介质条带谐振器(11、12)与所述介质条带谐振器(13、14)在一条水平线上，介质条带谐振器(11、12)两两与介质条带谐振器(13、14)相互奇模耦合，构建辐射频带，所述介质条带谐振器(11、12)与介质条带谐振器(13、14)两两相互偶模耦合，电场抵消形成辐射零点，用于实现滤波特性。
10.根据权利要求9所述的一种频率扫描介质谐振器滤波天线，其特征在于，所述位于中间金属层结构(3)的单侧耦合槽(31)与四个介质条带相互垂直，位于其中心的一侧侧边，且位于介质条带谐振器(11、12)的下方，分别激励出介质条带谐振器(11、12)的工作模式以及介质条带谐振器(11、12、13、14)整体的工作模式，且两个谐振模式的电场分布不同用于激励两个不同电场分布特点的工作模式，实现频扫特性。
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