CN117477218B - 具有宽阻带滤波特性的微带波束可重构天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有宽阻带滤波特性的微带波束可重构天线，包括第一、二、三、四介质板，第二介质板位于第一介质板上方，第三、四介质板对称垂直于第二介质板上，第一介质板下表面设有带馈电网络的第一覆铜层，其上表面设有第二覆铜层，第二介质板上表面设有位于第三、四介质板之间的第三覆铜层，第三、四介质板上均设有两块金属墙，两块金属墙之间连接开关二极管，通过电压控制器控制开关二极管的开关状态来实现辐射方向图可重构，获得0度和正、负30度三个方向的辐射区域覆盖。本发明具有良好的选择性和宽阻带抑制效果，并且可以覆盖三个辐射方向，其结构简单可靠、集成度高，可以同时实现宽阻带抑制的滤波特性和方向图可重构特性。

Description

具有宽阻带滤波特性的微带波束可重构天线

技术领域

本发明涉及通讯天线的技术领域，尤其是指一种具有宽阻带滤波特性的微带波束可重构天线。

背景技术

微带贴片天线因其具有低剖面、易加工、容易直接集成到射频电路等特点，从而被广泛应用于无线通信系统中。在以往的设计中，学者们将研究重点主要放在辐射特性、回波损耗或者滤波天线的滤波性能上，以求获得性能良好的微带天线。然而，天线的某个性能（比如辐射特性或者滤波特性）虽然得到了提高，但是随着无线通信的快速发展，传统的微带天线已经不能满足通信的需求。随着无线通信技术的快速发展，方向图可重构的微带天线已经是一个重要的趋势，而滤波天线技术一直是学术研究的热点。但是通过调研发现，目前的研究成果，要么通过微带结构实现波束可重构，要么通过微带结构实现良好的滤波特性，但是同时实现滤波特性和波束可重构的文章，还鲜有报道。如果可以设计一款具有宽阻带滤波特性的微带波束可重构天线，对微带天线的应用，具有非常重要的意义。

对现有技术进行调查了解，具体如下：

K.R. Xiang等人在2021年提出一种基于微带结构的偶极子滤波天线，使用滤波器综合的方法，在三阶的结构中实现了矩形度良好的滤波天线，仿真和实测结果表明，在通带范围内引入三个反射极点，实现了高选择性。

Y.F Cao和 X.Y. Zhang在2018年提出一种使用两个开关二极管实现波束可重构的微带缝隙天线。天线是由一个辐射缝隙天线和两个寄生缝隙组成，两个缝隙中间加载了一个开关二极管，二极管断开的时候，寄生缝隙不工作；二极管接通的时候，寄生缝隙相当于一个反射器。根据二极管的开关状态，实现了三个辐射方向的覆盖。但该结构主要考虑的是波束可重构，没有对天线的带外抑制特性或者带内选择性进行设计，滤波特性较差。

总的来说，现有的工作中，有不少关于滤波天线的研究，也有不少文章关于波束可重构天线的研究，但是鲜有文章实现可重构的同时，还考虑滤波天线的带外抑制特性或者通带内的选择性。但是随着无线通信频段的扩展，更高的频段被更多的使用，因此，设计一种宽阻带抑制并且可以实现波束可重构天线具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺点，提供了一种具有宽阻带滤波特性的微带波束可重构天线，该天线具有良好的选择性和宽阻带抑制效果，并且可以覆盖三个辐射方向，其结构简单可靠、集成度高，可以同时实现宽阻带抑制的滤波特性和方向图可重构特性。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：具有宽阻带滤波特性的微带波束可重构天线，包括第一介质板、第二介质板、第三介质板、第四介质板、第一电压控制器和第二电压控制器；所述第二介质板叠置于第一介质板上方，所述第三介质板和第四介质板关于第二介质板的中心线对称地垂直于第二介质板上，且它们的底部向下穿过第二介质板和第一介质板；所述第一介质板的下表面设置有第一覆铜层作为主要的滤波功能实现结构，所述第一覆铜层上设置有馈电网络，所述第一介质板的上表面设置有第二覆铜层作为金属地板，所述第二介质板的上表面设置有第三覆铜层作为辐射单元，所述辐射单元位于第三介质板和第四介质板之间，所述金属地板上开有三个缝隙，分别为第一缝隙、第二缝隙和第三缝隙，所述第三介质板穿过第一缝隙，所述第四介质板穿过第二缝隙，所述第三缝隙位于第一缝隙和第二缝隙之间，用于将馈电网络的能量耦合到辐射单元，所述第三介质板朝向第四介质板的一侧面上设置有第一金属墙和第二金属墙，所述第一金属墙与第二金属墙之间通过第一开关二极管连接，所述第四介质板朝向第三介质板的一侧面上设置有第三金属墙和第四金属墙，所述第三金属墙与第四金属墙之间通过第二开关二极管连接，所述第一金属墙连接有第一金属块，所述第二金属墙连接有第二金属块，所述第三金属墙连接有第三金属块，所述第四金属墙连接有第四金属块，所述第一金属块与第一电压控制器的低电平相连，所述第二金属块与第一电压控制器的高电平相连，所述第三金属块与第二电压控制器的低电平相连，所述第四金属块与第二电压控制器的高电平相连。

进一步，通过所述第一电压控制器和第二电压控制器的输出电压控制第一开关二极管和第二开关二极管的开关状态来实现辐射方向图可重构，获得0度和正、负30度三个方向的辐射区域覆盖。

进一步，当所述第一电压控制器的输出电压为高电平时，所述第一开关二极管接通，此时所述第一金属墙和第二金属墙对辐射单元的辐射方向不起作用，当所述第一电压控制器的输出电压为低电平时，所述第一开关二极管断开，此时所述第一金属墙和第二金属墙相当于一个引向器，整个天线的辐射方向图会在原来的基础上发生30度逆时针偏移；同理，当所述第二电压控制器的输出电压为高电平时，所述第二开关二极管接通，此时所述第三金属墙和第四金属墙对辐射单元的辐射方向不起作用，当所述第二电压控制器的输出电压为低电平时，所述第二开关二极管断开，此时所述第三金属墙和第四金属墙相当于一个引向器，整个天线的辐射方向图会在原来的基础上发生30度顺时针偏移；当所述第一开关二极管和第二开关二极管均断开时，所述第三介质板和第四介质板上的金属墙作用相同，辐射方向垂直于辐射单元。

进一步，所述的具有宽阻带滤波特性的微带波束可重构天线，包括以下三个工作模式：

模式1：第一开关二极管断开、第二开关二极管断开；

模式2：第一开关二极管接通、第二开关二极管断开；

模式3：第一开关二极管断开、第二开关二极管接通。

进一步，所述第三缝隙、金属地板和辐射单元为同一中心轴。

进一步，所述馈电网络包括输入端口、输入馈线、第一半波长谐振器和第二半波长谐振器，其中，所述输入端口与输入馈线连接，所述输入馈线与第一半波长谐振器之间、第一半波长谐振器与第二半波长谐振器之间均保留间隙，并通过间隙耦合能量。

进一步，所述第二半波长谐振器与第三缝隙相交。

进一步，所述第二半波长谐振器相交于第三缝隙的中心处。

进一步，所述第三介质板上的金属墙不与第一缝隙相接触，所述第四介质板上的金属墙不与第二缝隙相接触。

进一步，所述第一半波长谐振器和第二半波长谐振器均为折弯馈线，所述第一介质板、第二介质板、第三介质板、第四介质板、金属地板和辐射单元均为矩形结构，所述第一缝隙、第二缝隙和第三缝隙均为条形缝隙，所述第三缝隙垂直于第三介质板和第四介质板，所述第二半波长谐振器与第三缝隙相交的那部分馈线垂直于第三缝隙，所述第一金属墙、第二金属墙、第三金属墙和第四金属墙均为覆铜层，所述第一金属块、第二金属块、第三金属块和第四金属块均为矩形的镀铜金属块。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

本发明使用输入馈线、半波长谐振器、缝隙耦合和辐射单元构成滤波天线结构，使用两块金属墙及中间加载开关二极管可以实现引向器的功能，从而实现辐射方向图可重构，通过调节金属墙的高度和宽度，这种方法可以延伸到任意频率，使天线具有良好的选择性和宽阻带抑制效果，并且可以覆盖三个辐射方向，其整体结构简单可靠、集成度高，可以同时实现宽阻带抑制的滤波特性和方向图可重构特性，具有很好的应用前景。

经实验验证，本发明能够在2.32GHz-2.5GHz的范围内稳定工作，且在2.32GHz-2.5GHz的频率范围内反射系数小于-10dB；在通带内增益平坦，其平均增益约为6dBi，且在通带内具有三个辐射零点，具有良好的选择性；而且，在三个工作模式下，2-10GHz的4倍频范围内，带外抑制均达到-5dBi以下，其中有两个工作模式达到了-10dBi；通过电压控制开关二极管，可以覆盖0度和正、负30度（即顺时针30度和逆时针30度）三个不同的方向。

附图说明

图1为微带波束可重构天线的立体图。

图2为微带波束可重构天线的俯视部分结构图。

图3为波束可重构滤波天线的侧视部分结构图之一。

图4为波束可重构滤波天线的侧视部分结构图之二。

图5为馈电网络的结构示意图。

图6为金属地板的结构示意图。

图7为通带附近S参数和增益的仿真结果示意图（含三个工作模式）。

图8为全频段S参数和增益的仿真结果示意图（含三个工作模式）。

图9a为模式1时中心频率点2.4GHz辐射方向图仿真结果示意图。

图9b为模式2时中心频率点2.4GHz辐射方向图仿真结果示意图。

图9c为模式3时中心频率点2.4GHz辐射方向图仿真结果示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

参见图1至图6所示，本实施例公开了一种具有宽阻带滤波特性的微带波束可重构天线，包括第一介质板5、第二介质板10、第三介质板12、第四介质板13、第一电压控制器（图中未画出）和第二电压控制器（图中未画出）；所述第二介质板10叠置于第一介质板5上方，所述第三介质板12和第四介质板13关于第二介质板10的中心线对称地垂直于第二介质板10上，且它们的底部向下穿过第二介质板10和第一介质板5；所述第一介质板5的下表面设置有第一覆铜层24作为主要的滤波功能实现结构，所述第一覆铜层24上设置有馈电网络，所述第一介质板5的上表面设置有第二覆铜层作为金属地板6，所述第二介质板10的上表面设置有第三覆铜层作为辐射单元11，所述辐射单元11位于第三介质板12和第四介质板13之间，所述金属地板6上开有三个缝隙，分别为第一缝隙7、第二缝隙8和第三缝隙9，所述第三介质板12穿过第一缝隙7，所述第四介质板13穿过第二缝隙8，所述第三缝隙9位于第一缝隙7和第二缝隙8之间，用于将馈电网络的能量耦合到辐射单元11，所述第三介质板12朝向第四介质板13的一侧面上设置有第一金属墙14和第二金属墙15，所述第一金属墙14与第二金属墙15之间通过第一开关二极管16连接，所述第四介质板13朝向第三介质板12的一侧面上设置有第三金属墙19和第四金属墙20，所述第三金属墙19与第四金属墙20之间通过第二开关二极管21连接，所述第一金属墙14连接有第一金属块17，所述第二金属墙15连接有第二金属块18，所述第三金属墙19连接有第三金属块22，所述第四金属墙20连接有第四金属块23，所述第一金属块17与第一电压控制器的低电平相连，所述第二金属块18与第一电压控制器的高电平相连，所述第三金属块22与第二电压控制器的低电平相连，所述第四金属块23与第二电压控制器的高电平相连，所述第三介质板12上的金属墙不与第一缝隙7相接触，所述第四介质板13上的金属墙不与第二缝隙8相接触，避免引起短路；通过所述第一电压控制器和第二电压控制器的输出电压控制第一开关二极管16和第二开关二极管21的开关状态来实现辐射方向图可重构，获得0度和正、负30度（即顺时针30度和逆时针30度）三个方向的辐射区域覆盖，具体情况如下：

当所述第一电压控制器的输出电压为高电平（1V）时，所述第一开关二极管16接通，此时所述第一金属墙14和第二金属墙15对辐射单元11的辐射方向不起作用，当所述第一电压控制器的输出电压为低电平（0V）时，所述第一开关二极管16断开，此时所述第一金属墙14和第二金属墙15由于它们之间有缝隙，这时候相当于一个引向器，整个天线的辐射方向图会在原来的基础上发生30度逆时针偏移；同理，当所述第二电压控制器的输出电压为高电平1V时，所述第二开关二极管21接通，此时所述第三金属墙19和第四金属墙20对辐射单元11的辐射方向不起作用，当所述第二电压控制器的输出电压为低电平（0V）时，所述第二开关二极管21断开，此时所述第三金属墙19和第四金属墙20由于它们之间有缝隙，这时候相当于一个引向器，整个天线的辐射方向图会在原来的基础上发生30度顺时针偏移；当所述第一开关二极管16和第二开关二极管21均断开时，所述第三介质板12和第四介质板13上的金属墙作用相同，辐射方向垂直于辐射单元11。

综上所述，本实施例上述的微带波束可重构天线，有以下三个工作模式：

模式1：第一开关二极管16断开、第二开关二极管21断开，此时，第三介质板12和第四介质板13上的金属墙作用相同，辐射方向垂直于辐射单元11。

模式2：第一开关二极管16接通、第二开关二极管21断开，此时，第三介质板12上的金属墙不工作，第四介质板13上的金属墙相当于一个引向器，辐射方向图在原来基础上顺时针偏移30度。

模式3：第一开关二极管16断开、第二开关二极管21接通，此时，第四介质板13上的金属墙不工作，第三介质板12上的金属墙相当于一个引向器，辐射方向图在原来基础上逆时针偏移30度。

本实施例使用两块金属墙及中间加载开关二极管的方式，可以实现引向器的功能，通过调节金属墙的高度和宽度，这种方法可以延伸到任意频率。

优选的，所述第三缝隙9、金属地板6和辐射单元11为同一中心轴。

优选的，所述馈电网络包括输入端口1、输入馈线2、第一半波长谐振器3和第二半波长谐振器4，其中，所述输入端口1与输入馈线2连接，所述输入馈线2与第一半波长谐振器3之间、第一半波长谐振器3与第二半波长谐振器4之间均保留间隙，并通过间隙耦合能量；通过调节输入馈线2、第一半波长谐振器3和第二半波长谐振器4之间的耦合，还有与辐射单元11之间的耦合，优化参数后可以获得宽阻带抑制的特性。

优选的，所述第二半波长谐振器4相交于第三缝隙9的中心处。

优选的，所述第一半波长谐振器3和第二半波长谐振器4均为折弯馈线，所述第一介质板5、第二介质板10、第三介质板12、第四介质板13、金属地板6和辐射单元11均为矩形结构，所述第一缝隙7、第二缝隙8和第三缝隙9均为条形缝隙，所述第三缝隙9垂直于第三介质板12和第四介质板13，所述第二半波长谐振器4与第三缝隙9相交的那部分馈线垂直于第三缝隙9，所述第一金属墙14、第二金属墙15、第三金属墙19和第四金属墙20均为覆铜层，所述第一金属块17、第二金属块18、第三金属块22和第四金属块23均为矩形的镀铜金属块。

优选的，所述第一金属墙14与第二金属墙15之间、第三金属墙19与第四金属墙20之间的间隔均为1.5mm。

优选的，所述第一介质板5的厚度为0.8mm，所述第二介质板10的厚度为1mm，它们长度都为100mm，宽度都为140mm；所述第三介质板12和第四介质板13的厚度都为1mm，宽度都为67mm，高度都为41.3mm；所有介质板介电常数都为2.55，损耗角正切都为0.0029。

如图7所示，显示了本实施例上述微带波束可重构天线的通带附近S参数和增益仿真结果。从图中可以看出，在三个工作模式下，本天线反射系数小于-10dB的频率范围为2.32GHz-2.5GHz，在通带内增益平坦，其平均增益约为6dBi，且在2.32GHz-2.5GHz的通带内具有三个辐射零点，提高了选择性。

如图8所示，显示了本实施例上述微带波束可重构天线的全频段S参数和增益仿真结果。从图中可以看出，在三个工作模式下，2-10GHz的4倍频范围内，带外抑制均达到-5dBi以下，其中有两个工作模式，全频段达到了-10dBi。

如图9a、9b、9c所示，显示了本实施例上述微带波束可重构天线的三个工作模式时中心频率点2.4GHz辐射方向图仿真结果。从图中可以看出，本天线在中心频率2.4GHz的方向图可以工作在不同模式下，从而覆盖0度和正、负30度（即顺时针30度和逆时针30度）三个不同的方向，并且每个方向的天线波束宽度都达到了60度的覆盖。

以上所述之实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.具有宽阻带滤波特性的微带波束可重构天线，其特征在于，包括第一介质板（5）、第二介质板（10）、第三介质板（12）、第四介质板（13）、第一电压控制器和第二电压控制器；所述第二介质板（10）叠置于第一介质板（5）上方，所述第三介质板（12）和第四介质板（13）关于第二介质板（10）的中心线对称地垂直于第二介质板（10）上，且它们的底部向下穿过第二介质板（10）和第一介质板（5）；所述第一介质板（5）的下表面设置有第一覆铜层（24）作为滤波功能实现结构，所述第一覆铜层（24）上设置有馈电网络，所述第一介质板（5）的上表面设置有第二覆铜层作为金属地板（6），所述第二介质板（10）的上表面设置有第三覆铜层作为辐射单元（11），所述辐射单元（11）位于第三介质板（12）和第四介质板（13）之间，所述金属地板（6）上开有三个缝隙，分别为第一缝隙（7）、第二缝隙（8）和第三缝隙（9），所述第三介质板（12）穿过第一缝隙（7），所述第四介质板（13）穿过第二缝隙（8），所述第三缝隙（9）位于第一缝隙（7）和第二缝隙（8）之间，用于将馈电网络的能量耦合到辐射单元（11），所述第三介质板（12）朝向第四介质板（13）的一侧面上设置有第一金属墙（14）和第二金属墙（15），所述第一金属墙（14）与第二金属墙（15）之间通过第一开关二极管（16）连接，所述第四介质板（13）朝向第三介质板（12）的一侧面上设置有第三金属墙（19）和第四金属墙（20），所述第三金属墙（19）与第四金属墙（20）之间通过第二开关二极管（21）连接，所述第一金属墙（14）连接有第一金属块（17），所述第二金属墙（15）连接有第二金属块（18），所述第三金属墙（19）连接有第三金属块（22），所述第四金属墙（20）连接有第四金属块（23），所述第一金属块（17）与第一电压控制器的低电平相连，所述第二金属块（18）与第一电压控制器的高电平相连，所述第三金属块（22）与第二电压控制器的低电平相连，所述第四金属块（23）与第二电压控制器的高电平相连；

通过所述第一电压控制器和第二电压控制器的输出电压控制第一开关二极管（16）和第二开关二极管（21）的开关状态来实现辐射方向图可重构，获得0度和正、负30度三个方向的辐射区域覆盖；

当所述第一电压控制器的输出电压为高电平时，所述第一开关二极管（16）接通，此时所述第一金属墙（14）和第二金属墙（15）对辐射单元（11）的辐射方向不起作用，当所述第一电压控制器的输出电压为低电平时，所述第一开关二极管（16）断开，此时所述第一金属墙（14）和第二金属墙（15）相当于一个引向器，整个天线的辐射方向图会在原来的基础上发生30度逆时针偏移；同理，当所述第二电压控制器的输出电压为高电平时，所述第二开关二极管（21）接通，此时所述第三金属墙（19）和第四金属墙（20）对辐射单元（11）的辐射方向不起作用，当所述第二电压控制器的输出电压为低电平时，所述第二开关二极管（21）断开，此时所述第三金属墙（19）和第四金属墙（20）相当于一个引向器，整个天线的辐射方向图会在原来的基础上发生30度顺时针偏移；当所述第一开关二极管（16）和第二开关二极管（21）均断开时，所述第三介质板（12）和第四介质板（13）上的金属墙作用相同，辐射方向垂直于辐射单元（11）。

2.根据权利要求1所述的具有宽阻带滤波特性的微带波束可重构天线，其特征在于，包括以下三个工作模式：

模式1：第一开关二极管（16）断开、第二开关二极管（21）断开；

模式2：第一开关二极管（16）接通、第二开关二极管（21）断开；

模式3：第一开关二极管（16）断开、第二开关二极管（21）接通。

3.根据权利要求2所述的具有宽阻带滤波特性的微带波束可重构天线，其特征在于，所述第三缝隙（9）、金属地板（6）和辐射单元（11）为同一中心轴。

4.根据权利要求3所述的具有宽阻带滤波特性的微带波束可重构天线，其特征在于，所述馈电网络包括输入端口（1）、输入馈线（2）、第一半波长谐振器（3）和第二半波长谐振器（4），其中，所述输入端口（1）与输入馈线（2）连接，所述输入馈线（2）与第一半波长谐振器（3）之间、第一半波长谐振器（3）与第二半波长谐振器（4）之间均保留间隙，并通过间隙耦合能量。

5.根据权利要求4所述的具有宽阻带滤波特性的微带波束可重构天线，其特征在于，所述第二半波长谐振器（4）与第三缝隙（9）相交。

6.根据权利要求5所述的具有宽阻带滤波特性的微带波束可重构天线，其特征在于，所述第二半波长谐振器（4）相交于第三缝隙（9）的中心处。

7.根据权利要求6所述的具有宽阻带滤波特性的微带波束可重构天线，其特征在于，所述第三介质板（12）上的金属墙不与第一缝隙（7）相接触，所述第四介质板（13）上的金属墙不与第二缝隙（8）相接触。

8.根据权利要求7所述的具有宽阻带滤波特性的微带波束可重构天线，其特征在于，所述第一半波长谐振器（3）和第二半波长谐振器（4）均为折弯馈线，所述第一介质板（5）、第二介质板（10）、第三介质板（12）、第四介质板（13）、金属地板（6）和辐射单元（11）均为矩形结构，所述第一缝隙（7）、第二缝隙（8）和第三缝隙（9）均为条形缝隙，所述第三缝隙（9）垂直于第三介质板（12）和第四介质板（13），所述第二半波长谐振器（4）与第三缝隙（9）相交的那部分馈线垂直于第三缝隙（9），所述第一金属墙（14）、第二金属墙（15）、第三金属墙（19）和第四金属墙（20）均为覆铜层，所述第一金属块（17）、第二金属块（18）、第三金属块（22）和第四金属块（23）均为矩形的镀铜金属块。