CN117498045B - 一种用于信息化管理的高增益高隔离滤波天线及其阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电子信息以及通信领域，提供了一种用于信息化管理的高增益高隔离滤波天线及其阵列：包括自上而下依次叠设的第一介质板、第二介质板、第三介质板、第四介质板和第五介质板；第一介质板上周期性排列有若干耦合辐射片，第二介质板设有镂空腔一，第四介质板设有镂空腔二，所述第五介质板的上表面设有周期性排布的人工磁导体，第五介质板的下表面设有第二金属贴片；沿第三介质板上表面长度方向延伸有人工表面等离激元传输结构。天线阵列包括若干个滤波天线，相邻滤波天线间设有电磁带隙结构。本方案提供一种具有尺寸小、重量轻、性能优越和可靠性高的天线及其阵列，提高天线的定向性，改善其阻抗匹配，抑制表面波损耗，从而改善天线增益。

Description

一种用于信息化管理的高增益高隔离滤波天线及其阵列
技术领域
本发明涉及电子信息以及通信领域，具体涉及一种用于信息化管理的高增益高隔离滤波天线及其阵列。
背景技术
大数据、高数据速率是未来通信系统的巨大需求，随着现代移动通信技术日新月异的发展，对大数据通信管理系统的高性能、小型化、轻量化、平面化、模块化及可靠性等均提出了更高的要求。射频系统是在无线通信、雷达、卫星通信等领域中使用的一种技术系统，射频系统在大数据通信管理系统中有多种应用如门禁系统、资产管理、物流管理和库存管理等。
滤波作为有效保持大数据通信系统中接收、发射频带的隔离和高质量通信的一种技术，随着射频系统的发展，涌现出了一些关于滤波器和天线协同设计的技术，改变了传统的采用天线与滤波器直接级联的方式，然而目前设计的滤波天线容易面临天线的电路传输损耗、加工成本高、尺寸过大的问题。因此，能够解决系统中的电磁波滤波性能和传输损耗问题，具有低剖面，小尺寸，重量轻的天线有待出现。
发明内容
为解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种用于信息化管理的高增益高隔离滤波天线及其阵列，目的在于提供一种具有尺寸小、重量轻、性能优越和可靠性高的天线，提高天线的定向性，改善其阻抗匹配，抑制表面波损耗，从而改善天线增益。
为实现上述目的，本发明采用的方案如下：
一种用于信息化管理的高增益高隔离滤波天线，包括自上而下依次叠设的多个介质板，多个所述介质板包括第一介质板、第二介质板、第三介质板、第四介质板和第五介质板，所述第一介质板下表面覆铜，除第一介质板之外的多个所述介质板上下表面均覆铜；所述第一介质板上周期性排列有若干耦合辐射片，所述第二介质板设有镂空腔一，所述第四介质板设有镂空腔二，所述第五介质板的上表面设有周期性排布的人工磁导体，第五介质板的下表面设有第三金属贴片；
沿所述第三介质板上表面长度方向延伸有人工表面等离激元传输结构，所述人工表面等离激元传输结构包括左锯齿传输线、中间锯齿传输线和右锯齿传输线，所述左锯齿传输线和右锯齿传输线以中间锯齿传输线的中线对称设置。
进一步的，所述耦合辐射片包括贯穿所述第一介质板的孔洞，孔洞内设有耦合片，所述孔洞和所述耦合片之间设有辐射缝隙。
进一步的，所述第三介质板上表面的两端设有共面波导，两端所述共面波导通过所述人工表面等离激元传输结构连接。
进一步的，所述第三介质板的两端设有连接器，连接器的法兰与同侧的共面波导连接，所述第三介质板左端连接器的内芯与左锯齿传输线连接，所述第三介质板右端连接器的内芯与右锯齿传输线连接。
进一步的，所述中间锯齿传输线上周期性的排列有相同的梯形结构一；所述左锯齿传输线上周期性的排列有体积渐变的梯形结构二，所述右锯齿传输线上周期性的排列有体积渐变的梯形结构二；所述左锯齿传输线梯形结构二的体积从左侧向所述中间锯齿传输线递增；所述右锯齿传输线梯形结构的体积二从右侧向所述中间锯齿传输线递增。
进一步的，所述左锯齿传输线、中间锯齿传输线和右锯齿传输线的宽度WL=0.5～3.0mm，所述梯形结构一和梯形结构二周期间距均为d=2.0～6.0mm，所述梯形结构一的高度h1=4.0～5.0mm，宽度W1=3.5～4.5mm。
进一步的，所述人工磁导体包括若干周期性分布的第一金属方环，第一金属方环内设有第一金属贴片，所述第一金属贴片与第五介质板下表面的第三金属贴片相对应。
进一步的，所述介质板的边沿设有金属化通孔，相邻的介质板通过设于金属化通孔内的第一金属短路柱连接。
进一步的，所述第三介质板的介电常数为ξr=2.0~4.0；除所述第三介质板之外的介质板介电常数为ξr=2.0~5.0。
一种用于信息化管理的高增益高隔离滤波天线阵列，包括金属底板，金属底板上设有若干个所述滤波天线，相邻滤波天线间设有电磁带隙结构，所述电磁带隙结构包括若干周期性分布的第二金属方环，第二金属方环内设有第二金属贴片，位于第二金属贴片的中心设有连接所述第二金属贴片和金属底板的第二金属短路柱。
本发明具有的有益效果为：
本发明中的第三介质板、镂空腔二和第五介质板构成的介质集成悬置线结构，具有电磁波的低频截止和抑制外界干扰的特性，提高了信号的通信质量，在第五介质板上引入周期性人工磁导体结构，提高了天线的定向性，改善了其阻抗匹配，利用人工磁导体（AMC）的阻抗特性和反射相位特性，抑制了表面波损耗，从而改善了天线增益。
而且，采用第一介质板、镂空腔一和第三介质板构成了另一介质集成悬置线结构，尤其是结合第三介质板上设有的人工表面等离激元传输结构实现了带通滤波特性的低损耗传输线结构，解决了现有基于介质集成悬置线结构的天线存在的口径效率较低、剖面高的问题。第一介质板上周期性排列的若干耦合辐射片，通过耦合的方式将传输的信号耦合辐射出去，从而实现天线的高效率、滤波辐射。
其次，天线阵列采用相邻滤波天线间设置电磁带隙结构，电磁波在满足一定的条件下，电磁带隙结构表面形成一个抑制表面电流的频阻，使得表面电磁波无法继续传播。因此将电磁带隙结构加载到滤波天线之间，可消除天线结构中所产生的表面波，降低阵列单元间的互耦，并改善天线阵列的整体电性能。
附图说明
图1是本实施例天线阵列结构示意图；
图2是本实施例滤波天线整体结构示意图；
图3是本实施例滤波天线分体结构示意图；
图4是本实施例滤波天线俯视结构示意图；
图5是本实施例人工表面等离激元传输结构的部分结构示意图；
图6是本实施例滤波天线的S参数图；
图7是本实施例在端口一馈电，7.0GHz的归一化远场辐射方向图；
图8是本实施例在端口一馈电，7.8GHz处的归一化远场辐射方向图；
图9是本实施例在端口一馈电，8.6GHz处的归一化远场辐射方向图；
图10是本实施例在端口二馈电，7.0GHz的归一化远场辐射方向图；
图11是本实施例在端口二馈电，7.8GHz的归一化远场辐射方向图；
图12是本实施例在端口二馈电，8.6GHz的归一化远场辐射方向图；
图13是本实施例滤波天线的S参数反射相位图。
图中标号：1、介质板；101、第一介质板；102、第二介质板；103、第三介质板；104、第四介质板；105、第五介质板；2、人工表面等离激元传输结构；201、左锯齿传输线；202、中间锯齿传输线；203、右锯齿传输线；204、梯形结构一；205、梯形结构二；3、共面波导；4、耦合辐射片； 401、耦合片；402、辐射缝隙； 5、金属化通孔；6、第一金属短路柱；7、电磁带隙结构；701、第二金属方环；702、第二金属贴片；8、人工磁导体结构；801、第一金属方环；802、第一金属贴片；9、镂空腔一；10、镂空腔二；11、连接器；12、金属底板；13、滤波天线。
具体实施方式
为了使本发明更为清楚、明白，以下结合附图说明和实施例，对本发明作进一步的详细说明，应当了解，所给出的实施例仅仅为实现方式的一种，并不代表所有实施例。
结合图1-图5，本实施例提供了一种用于信息化管理的高增益高隔离滤波天线，包括自上而下依次叠设的多个介质板1，多个所述介质板1包括第一介质板101、第二介质板102、第三介质板103、第四介质板104和第五介质板105，所述第一介质板101下表面覆铜，除第一介质板101之外的多个所述介质板1上下表面均覆铜，所述第三介质板103的介电常数为ξr=2.0~4.0；除所述第三介质板103之外的介质板1介电常数为ξr=2.0~5.0。所述第二介质板102设有镂空腔一9，所述第四介质板104设有镂空腔二10，多个介质板1构成了低频截止的谐振腔体。本实施例中的多个介质板1形状均为矩形，且作为优选方案，第三介质板103采用厚度为0.2mm、介电常数为2.8的柔性印刷电路板(FPCB)制造，其他介质板采用厚度为0.5mm、介电常数为2.2的聚四氟乙烯高频板(F4B)制造。FPCB是用柔性基材制成的电路板，具有较高的柔软性和适应性，适用于相对狭小、弯曲或曲面的应用场景。相比传统刚性电路板，FPCB电路板能够更好地适应特殊设计需求和空间限制，具有折叠、弯曲、自由曲面等特点，可适应更复杂的三维空间布局。因此，第三介质板103采用柔性印刷电路板更有利于腔体内电磁波的低损耗传输，而其他介质板采用聚四氟乙烯高频板可以支撑介质悬置线结构、束缚内部电磁波和隔离、屏蔽外界的干扰。
所述第一介质板101上周期性排列有若干耦合辐射片4，所述耦合辐射片4线性排列，耦合辐射片4间的周期间距dr=25.0~30.0mm，所述耦合辐射片4包括贯穿所述第一介质板101的孔洞，孔洞形状为椭圆形，孔洞内设有椭圆形的耦合片401，所述孔洞和所述耦合片401之间设有辐射缝隙402。耦合片401、辐射缝隙402以及传输线之间形成了串、并联组成的LC谐振电路，从而实现电磁辐射功能。
所述第二介质板102设有镂空腔一9，所述第四介质板104设有镂空腔二10，采用第一介质板101、镂空腔一9和第三介质板103构成介质集成悬置线结构，第三介质板103、镂空腔二10和第五介质板105构成另一介质集成悬置线结构，这种介质悬置线形成的封闭腔体结构具有电磁波的低频截止和抑制外界干扰的特性，有效的降低了传输损耗，提高了信号的通信质量。
沿所述第三介质板103上表面长度方向延伸有人工表面等离激元传输结构2，所述人工表面等离激元传输结构2包括左锯齿传输线201、中间锯齿传输线202和右锯齿传输线203，所述左锯齿传输线201和右锯齿传输线203以中间锯齿传输线202的中线对称设置。所述中间锯齿传输线202上周期性的排列有相同的梯形结构一204；所述左锯齿传输线201上周期性的排列有体积渐变的梯形结构二205，所述右锯齿传输线203上周期性的排列有体积渐变的梯形结构二205；所述左锯齿传输线201的梯形结构二205从左侧向所述中间锯齿传输线202递增；所述右锯齿传输线203的梯形结构二205从右侧向所述中间锯齿传输线202递增。作为优选，所述所述左锯齿传输线201、中间锯齿传输线202和右锯齿传输线203的宽度WL=0.5～3.0mm，所述梯形结构一204和梯形结构二205周期间距均为d=2.0～6.0mm，所述梯形结构一204的高度h1=4.0～5.0mm，宽度W1=3.5～4.5mm。两端采用带有渐变梯形结构二205的左锯齿传输线201和右锯齿传输线203，可以实现和共面波导的波数匹配，带有梯形结构一204的中间锯齿传输线202实现阻抗匹配，这种渐变结构可以实现功率最大化和最高效率的传输。
本实施例锯齿形的人工表面等离激元传输结构2改进了传统结构低频模式转换效率低的问题，可以直接采用印制电路板工艺制作，具有易于加工制造、成本低和可集成的优势。此外，锯齿的一侧对场的束缚能力较强，这种人工表面等离激元传输结构2实现了微波信号的亚波长传输，并利用其色散效应调控电磁波传输的高频频点处截止频率。
位于所述第一介质板101和第三介质板103之间在所述镂空腔一9内设有支撑材料；位于所述第三介质板103和第五介质板105之间在所述镂空腔二10内设有支撑材料。支撑材料选用低密度泡沫材料，用于支撑固定人工表面等离激元传输结构2。
所述第三介质板103上表面的两端设有共面波导3，两端所述共面波导3通过所述人工表面等离激元传输结构2连接。所述第三介质板103的两端设有连接器11，本实施例选用SMA连接器，SMA连接器的法兰与同侧的共面波导3连接，所述第三介质板103左端SMA连接器的内芯与左锯齿传输线201连接，所述第三介质板103右端SMA连接器的内芯与右锯齿传输线203连接，SMA连接器两端可分别进行馈电，从而形成不同指向的波束。为方便安装SMA连接器，分别在第一介质板101和第二介质板102的两端设有凹槽。本实施例中，采用由共面波导3及周期性排列的锯齿状结构组成的人工表面等离激元传输结构2作为滤波天线的主传输线，这种共面波导3馈电结构具有宽频带传输且易于与外围电路集成连接特性。传输的信号在共面波导3及人工表面等离激元传输结构2组成的主传输线传输通过上方的耦合辐射片4耦合辐射出去，从而实现天线的高效率、滤波辐射。
所述第五介质板105的上表面设有人工磁导体结构8，所述人工磁导体结构8包括若干周期性分布的第一金属方环801，第一金属方环801内设有第一金属贴片802，第五介质板105的下表面设有与第一金属贴片802相对应的第三金属贴片。上表面的第一金属方环801及内设的金属贴片802与下表面的第三金属贴片之间形成电容C01，相邻两个第一金属方环801之间形成并联电容C02，进而可以获得LC 电路模型，通过以下公式可计算得出：
，
其中，L01为上表面第一金属贴片802自身等效电感，为LC 电路模型。此电路具有高阻抗表面特性，当该频率的电磁波入射该结构表面时，引起等效电路产生谐振，所以结构表面是高阻抗表面，电磁波不能沿着结构介质表面传播。而且，虽然介质集成悬置线结构能降低传输损耗，提高信号的通信质量，但是受到介质集成悬置线天线固有的表面波损耗大特性的影响，其峰值增益将呈下降趋势。因此，利用人工磁导体结构8电路模型，可以有效抑制表面波传输损耗，从而提高天线的定向性、改善天线的增益。
所述介质板1的边沿设有金属化通孔5，相邻的介质板1通过设于金属化通孔5内的第一金属短路柱6连接。作为优选，金属化通孔5等间距的排列在介质板1镂空区域长度方向的两侧，形成悬置线平台的屏蔽腔结构。第一金属短路柱6的引入很好的避免了电磁波信号的泄漏，若无金属柱的引入，边缘只存在环形金属层结构，而金属层间填充物为介质材料，无法很好的实现电磁波的屏蔽功能，因此第一金属短路柱6的引入与其它外围结构形成了很好的电磁屏蔽腔体结构。
基于上述实施例中的滤波天线13，本发明还提供了一种用于信息化管理的高增益高隔离滤波天线阵列，包括金属底板12，金属底板12上设有若干个所述滤波天线13，相邻滤波天线13间距da=20~60mm，相邻滤波天线13间设有电磁带隙结构7，所述电磁带隙结构7包括若干周期性分布的第二金属方环701，第二金属方环701内设有第二金属贴片702，位于第二金属贴片702的中心设有连接所述第二金属贴片702和金属底板12的第二金属短路柱703。所述金属底板12可以是平直的也可以是弯曲的，可以根据设计需求和空间限制来决定。本实施例为弯曲的金属底板12，金属底板12上连接有5组滤波天线及6组电磁带隙结构7。电磁波在满足一定的条件下，电磁带隙结构7表面形成一个抑制表面电流的频阻，使得表面电磁波无法继续传播。因此将电磁带隙结构7加载到滤波天线13之间，可消除天线结构中所产生的表面波，降低阵列单元间的互耦，并改善天线阵列的整体电性能。
利用商业仿真软件对上述具体实施例中的滤波天线进行仿真计算，图6是本实施例滤波天线13的S参数的仿真计算。以有源回波损耗小于-10dB为标准，提供了天线的宽频带阻抗特性和滤波特性，从图中可以看出所设计的天线7.0～8.68GHz，且在过渡带具有很好的矩形系数，抑制带外信号的干扰。
结果如图7-图12是天线在各谐振点处的仿真及测试的归一化二维辐射方向图，各谐振点处方向图显示，端口一馈电时，天线主波束在谐振点处的倾角分别为-22.0°、-8.0°、0.0°；端口二馈电时，天线主波束在谐振点处的倾角分别为15.2°、8.3°、2.0°，表明本发明具有良好的辐射特性、多波束指向特性。通过图中仿真结果的对比不难发现：一、本具体实施例的滤波天线13具有稳定的增益、方向图和较小的交叉极化水平，可以实现多方向、远距离、大数据通信。二、当分别采用双端口进行馈电时，滤波天线13方向图随着频率的变化，其指向度也发生了变化，可以实现多波束指向的远距离通信。
如图13，根据AMC 表面的工作机理，当AMC 表面反射波的相位在-90°到+90°之间时，可视其为磁导体。因而反射相位处于±90°之间的频带被定义为AMC 表面的同相反射频带。利用AMC 具有的同相反射特性，将其用于介质集成悬置线天线以及设置于阵元之间，可以有效地改善天线的性能、降低天线的背瓣辐射以及提高天线的增益。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于信息化管理的高增益高隔离滤波天线，其特征在于：包括自上而下依次叠设的多个介质板（1），多个所述介质板（1）包括第一介质板（101）、第二介质板（102）、第三介质板（103）、第四介质板（104）和第五介质板（105），所述第一介质板（101）下表面覆铜，除第一介质板（101）之外的多个所述介质板（1）上下表面均覆铜；所述第一介质板（101）上周期性排列有若干耦合辐射片（4），所述第二介质板（102）设有镂空腔一（9），所述第四介质板（104）设有镂空腔二（10），所述第五介质板（105）的上表面设有周期性排布的人工磁导体结构（8），第五介质板（105）的下表面设有第三金属贴片；所述耦合辐射片（4）包括贯穿所述第一介质板（101）的孔洞，孔洞内设有耦合片（401），所述孔洞和所述耦合片（401）之间设有辐射缝隙（402）；
沿所述第三介质板（103）上表面长度方向延伸有人工表面等离激元传输结构（2），所述人工表面等离激元传输结构（2）包括左锯齿传输线（201）、中间锯齿传输线（202）和右锯齿传输线（203），所述左锯齿传输线（201）和右锯齿传输线（203）以中间锯齿传输线（202）的中线对称设置；
所述中间锯齿传输线（202）上周期性的排列有相同的梯形结构一（204）；所述左锯齿传输线（201）上周期性的排列有体积渐变的梯形结构二（205），所述右锯齿传输线（203）上周期性的排列有体积渐变的梯形结构二（205）；所述左锯齿传输线（201）梯形结构二（205）的体积从左侧向所述中间锯齿传输线（202）递增；所述右锯齿传输线（203）梯形结构二（205）的体积从右侧向所述中间锯齿传输线（202）递增。
2.根据权利要求1所述的一种用于信息化管理的高增益高隔离滤波天线，其特征在于：所述第三介质板（103）上表面的两端设有共面波导（3），两端所述共面波导（3）通过所述人工表面等离激元传输结构（2）连接。
3.根据权利要求2所述的一种用于信息化管理的高增益高隔离滤波天线，其特征在于：所述第三介质板（103）的两端设有连接器（11），连接器（11）的法兰与同侧的共面波导（3）连接，所述第三介质板（103）左端连接器（11）的内芯与左锯齿传输线（201）连接，所述第三介质板（103）右端连接器（11）的内芯与右锯齿传输线（203）连接。
4.根据权利要求1所述的一种用于信息化管理的高增益高隔离滤波天线，其特征在于：所述左锯齿传输线（201）、中间锯齿传输线（202）和右锯齿传输线（203）的宽度WL=0.5～3.0mm，所述梯形结构一（204）和梯形结构二（205）周期间距均为d=2.0～6.0mm，所述梯形结构一（204）的高度h1=4.0～5.0mm，宽度W1=3.5～4.5mm。
5.根据权利要求1所述的一种用于信息化管理的高增益高隔离滤波天线，其特征在于：所述人工磁导体结构（8）包括若干周期性分布的第一金属方环（801），第一金属方环（801）内设有第一金属贴片（802），所述第一金属贴片（802）与第五介质板（105）下表面的第三金属贴片相对应。
6.根据权利要求1所述的一种用于信息化管理的高增益高隔离滤波天线，其特征在于：所述介质板（1）的边沿均设有金属化通孔（5），相邻的介质板（1）通过设于金属化通孔（5）内的第一金属短路柱（6）连接。
7.根据权利要求1所述的一种用于信息化管理的高增益高隔离滤波天线，其特征在于：所述第三介质板（103）的介电常数为ξr=2.0~4.0；除所述第三介质板（103）之外的介质板介电常数为ξr=2.0~5.0。
8.一种用于信息化管理的高增益高隔离滤波天线阵列，包括如权利要求1-7任一所述的一种用于信息化管理的高增益高隔离滤波天线，其特征在于：包括金属底板（12），金属底板（12）上设有若干个所述滤波天线（13），相邻滤波天线（13）间设有电磁带隙结构（7），所述电磁带隙结构（7）包括若干周期性分布的第二金属方环（701），第二金属方环（701）内设有第二金属贴片（702），位于第二金属贴片（702）的中心设有连接所述第二金属贴片（702）和金属底板（12）的第二金属短路柱。
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