CN217607029U - 应用于智能电网无线传感器中的圆极化宽带滤波天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种应用于智能电网无线传感器中的圆极化宽带滤波天线，包括：介质基板、位于介质基板下方的阶梯形状金属接地板和位于介质基板上方的天线辐射体结构，其中，所述天线辐射体结构由多模谐振器与平面倒L天线平行耦合而成；所述阶梯形状金属接地板包含一个矩形主体结构、与矩形主体结构连接的两个延伸的阶梯型枝节以及一个延伸的矩形枝节。相比于现有的智能电网无线传感器天线，本实用新型可以显著降低系统的损耗并减小系统的尺寸。同时，本实用新型通过更改接地金属板的结构实现圆极化，可以对抗多径衰落，并且对收发天线间的位置不敏感。
Description
技术领域
本实用新型涉及无线通信技术领域，尤其涉及应用于智能电网无线传感器中的圆极化宽带滤波天线。
背景技术
本部分旨在为权利要求书中陈述的本实用新型实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
在传统的智能电网无线传感器的射频前端中，天线与滤波器是两个相互独立的元件，天线的输入/输出端通常是级联一个滤波器以此来抑制杂散信号，并增强其抗干扰能力。显而易见，由于它们是相互之间独立的个体，没有集成到一个模块中，所以在传统射频前端设计时需要对这两个部分(天线与滤波器)分别进行各自的设计与优化，然后通过标准阻抗传输线进行连接，然而这样会造成智能电网无线传感器中单元器件多，损耗高，体积庞大等缺陷。
实用新型内容
本实用新型实施例提供一种应用于智能电网无线传感器中的圆极化宽带滤波天线，包括：介质基板、位于介质基板下方的阶梯形状金属接地板和位于介质基板上方的天线辐射体结构，其中，所述天线辐射体结构由多模谐振器与平面倒L天线平行耦合而成；所述阶梯形状金属接地板包含一个矩形主体结构、与矩形主体结构连接的两个延伸的阶梯型枝节以及一个延伸的矩形枝节。
本实用新型通过平行耦合一个多模谐振器实现宽带滤波，可以降低系统的损耗并减小系统的尺寸。同时，通过更改接地金属板的结构实现圆极化，可以对抗多径衰落，并且对收发天线间的位置不敏感。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本实用新型实施例中圆极化宽带滤波天线结构示意图；
图2为本实用新型实施例中天线辐射体结构示意图；
图3为本实用新型实施例中金属接地板结构示意图；
图4为本实用新型实施例中圆极化宽带滤波天线结构及尺寸示意图；
图5为本实用新型实施例中圆极化天线轴比(AR)图；
图6为本实用新型实施例中天线反射系数与增益方向图；
图7为本实用新型实施例中圆极化宽带滤波天线方向图；
图8为本实用新型实施例中Phi＝0°天线圆极化方向图；
图9为本实用新型实施例中相位在0°，90°，180°，270°的电流分布图；
图10为本实用新型实施例中圆极化宽带滤波天线的设计流程图；
图11为本实用新型实施例中设计过程中各款天线(天线Ⅰ、天线Ⅱ、天线Ⅲ)的圆极化AR图；
图12为本实用新型实施例中设计过程中各款天线(天线Ⅰ、天线Ⅱ、天线Ⅲ)的反射系数图；
图13为本实用新型实施例中不同尺寸长度的圆极化轴比图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本实用新型实施例做进一步详细说明。在此，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。
为了解决现有技术中存在的智能电网无线传感器中单元器件多，损耗高，体积庞大等缺陷，将天线和滤波器这两个射频前端的重要组成部分融合设计为滤波天线，滤波天线可以在天线层面上直接具有滤波的性能，这样不需要外接滤波器来实现滤波的效果，进而减小了整个射频链路的插入损耗，同时可以实现智能电网无线传感器的小型化。可以有效减少能量损失，缩小系统体积与重量，减少单元器件个数，并提高通信系统电磁兼容性，更加有利于集成设计，所以这种融合设计完美地解决了传统设计所带来的种种缺陷。
为了获得宽带圆极化滤波天线，首先需要实现天线的圆极化，而实现天线圆极化的方式有许多，总的来讲，其基本原理为产生两个空间上相互正交的线极化电场分量，并使二者振幅相等，相位相差90°。然后，再对圆极化天线进行结构上的改进从而获得滤波功能，同时，还需要拓宽带宽，如采用L型探针馈电结构有效拓宽了圆极化带宽；除此之外通过缝隙加载结构、辐射贴片堆叠等方式也可以有效拓宽天线带宽。
基于此，本实用新型提出了能够工作在4.88GHz-5.94GHz频段的圆极化宽带滤波天线。该款天线通过平行耦合一个多模谐振器实现宽带滤波，可以降低系统的损耗并减小系统的尺寸。同时，通过更改金属接地板的结构实现圆极化。圆极化天线可以对抗多径衰落，并且对收发天线间的位置不敏感。
具体方案阐述如下。
本实用新型提出一种应用于智能电网无线传感器中的圆极化宽带滤波天线，如图1所示，该圆极化宽带滤波天线结构包括：介质基板1、位于介质基板下方的阶梯形状金属接地板2和位于介质基板上方的天线辐射体结构3；其中，所述天线辐射体结构由多模谐振器与平面倒L天线平行耦合而成；所述阶梯形状金属接地板包含一个矩形主体结构、与矩形主体结构连接的两个延伸的阶梯型枝节以及一个延伸的矩形枝节。
具体的，介质板尺寸为50mm×40mm，材质采用FR4(相对介电常数εr＝4.4，介电损耗角正切tanδ＝0.02，厚度＝0.8mm)。FR-4是一种耐燃材料等级的代号，所代表的意思是树脂材料经过燃烧状态必须能够自行熄灭的一种材料规格，它不是一种材料名称，而是一种材料等级。
具体的，如图2所示，在介质基板1顶层为天线辐射体结构，由多模谐振器32与平面倒L天线31平行耦合而成。平面倒L天线31包括两部分，其中第一部分为倒L天线，倒L天线包括纵向枝节(即图4中的纵向长度w5对应的枝节)和横向枝节(即图4中的横向长度l7对应的枝节)，第二部分为天线馈线(即图4中的长度l2对应的部分)，第一部分和第二部分之间通过多模谐振器耦合相连。天线馈线的一端为阶梯矩形，该阶梯矩形为天线馈线的耦合部分；横向枝节的一端为阶梯矩形，该阶梯矩形为倒L天线的耦合部分。所述多模谐振器下边缘中心位置加载L型开路枝节。
具体的，如图3所示，在介质基板1底层为金属接地板，可以看到该接地板的形状由一个矩形和两段阶梯L型的结构(即与矩形主体结构连接的两个延伸的阶梯型枝节，阶梯型枝节为三级矩形阶梯)构成，同时在矩形的一条边上延伸出一段长为x1，宽为y1的矩形枝节(如图4所示)。其中，两个延伸的阶梯型枝节中的一个位于矩形主体结构的一条边上；两个延伸的阶梯型枝节中的另一个位于矩形主体结构的另一条边上，其中两条边是对边；一个延伸的矩形枝节位于矩形主体结构的第三条边上，与倒L天线处于同一侧。
实现圆极化的关键在于能否提供90°的相位差或者说提供λ0/4的尺寸差，λ0为中心频率的波长，中心频率通常定义为带通滤波器(或带阻滤波器)的两个3dB点之间的中点，一般用两个3dB点的算术平均来表示。而这种阶梯性结构就可以提供这种条件从而实现天线的圆极化，且无额外的附加结构。同时，在接地金属板上靠近天线端的延伸矩形枝节结构能够有效地拓宽圆极化带宽，从而实现宽带。通过仿真优化，可得到具体的天线结构尺寸并由表1和图4给出。
表1圆极化宽带滤波天线尺寸(单位：mm)
在本实用新型实施例中，通过HFSS(High Frequency Structure Simulator，高频结构仿真)仿真分析，可以得到该圆极化宽带滤波天线的圆极化轴比(AR)图，如图5所示，由图5中可以看出3dB轴比带宽为4.88GHz-5.94GHz，通过计算可以得出圆极化相对带宽约为20％。同时圆极化天线的反射系数和增益图由图6给出，由图6中可以看出-10dB带宽为4.51GHz-5.95GHz，通过计算可以得出其相对宽带约为28％，且该通频带与圆极化频带带宽基本重合。由于该天线可以在通带外各产生一个辐射零点，由此可实现滤波功能，同时在通带内天线增益近似平滑，且最大增益为3.47dB，并在通带高频部分裙边陡峭。对于相对带宽而言，为了让天线-10dB带宽与圆极化3dB轴比带宽近似重合，所以需要调整天线的枝节长度w5以及多模谐振器的加载开路枝节长度l5。同时，其在中心频率处的E面(电面)和H面(磁面)方向图由图7给出，可以发现金属接地板结构的改变会对天线的方向性产生一定影响。同时还研究了在某个位置该天线是左旋圆极化还是右旋圆极化，绘制出在H面Phi＝0°时的方向图如图8所示，从图中发现在E面Theta＝0°左右为左旋圆极化波，Theta＝180°左右为右旋圆极化波。同时其在5GHz的电流分布如图9所示，其中图9中的(a)，(b)，(c)，(d)分别展示了相位在0°，90°，180°，270°的电流分布。
在本实用新型实施例中，为了更好了解天线实现圆极化过程，天线设计流程如图10所示，同时各个模型的圆极化AR图由图11给出，反射系数图由图12给出。首先，图10(a)为一款线极化宽带滤波天线结构，称之为初始线极化天线Ⅰ，金属接地板2位于介质板底部，其反射系数S11(dB)图由图12给出，而圆极化AR图如图11所示，从图中看出在-10dB带宽内无圆极化波产生。通过研究可知阶梯型结构可以实现圆极化，同时靠近天线端的延伸矩形枝节结构能够有效地拓宽圆极化带宽，所以通过更改金属接地板的结构设计出了如图10(b)所示的天线结构，称之为实现初步圆极化的天线Ⅱ，2为更改过后的金属接地板，位置依旧位于介质板1底部，其圆极化AR图如图11所示，反射系数图如图12所示，从图中可以看出其-10dB带宽为3.98GHz-5.69GHz。同时通过圆极化AR图看出虽然在通带内可以实现部分圆极化，但在5.1GHz左右有个非常明显的毛刺，在毛刺附近无法实现圆极化，所以该结构的圆极化性能并不理想。为了消除该毛刺或者将其移到通带外，从而设计了如图10(c)所示的结构，称之为优化AR过后的圆极化宽带滤波天线Ⅲ，该结构通过更改金属接地板主体矩形的尺寸以及增加一个梯形结构来实现圆极化的性能提高，其具体结构尺寸已经由表1给出，同时其圆极化AR图和反射系数图分别由图11，图12给出，可以看出该种结构可以将之前5.1GHz左右的毛刺移到6.4GHz左右，从而能够在整个目标通带内实现圆极化，具体结构改变情况已经由上文设计结果部分给出。综上所述，对比三款天线可以得到通过改变金属接地板的结构可以有效地实现天线圆极化同时对天线带宽影响较小。
接下来讨论影响该款圆极化天线AR的尺寸参数，参考图4。首先讨论l2，即不同馈线长度对其圆极化AR的影响，通过HFSS参数扫描，得到不同l2长度的圆极化AR图如图13(a)所示，从图13(a)中可以看出当l2长度增加时，AR曲线会整体向右移动，同时其曲线变化趋势几乎不变，由此可以通过调节l2长度来控制圆极化通带范围位置。接下来研究延伸矩形枝节长度，即不同x1对圆极化AR的影响，同样通过HFSS参数扫描，得到不同x1长度的圆极化AR图如图13(b)所示，可以看出随着x1增加，右边的毛刺会向右移动，而左边的毛刺位置几乎不改变，从而可以通过控制矩形枝节长度来控制圆极化AR带宽。同时，当上述枝节长度l2或x1改变时，天线反射系数同样会产生变化，所以为了获得所需的理想的圆极化宽带滤波天线，需要同时调节上层天线结构以及地板结构。除此之外，地板其余的尺寸大小在优化天线过程已经得知对于圆极化AR的影响较小，所以在此不再分析。由于影响天线带宽的尺寸因素主要为多模谐振器加载的开路枝节长度以及天线的枝节长度，所以接下来就只研究这两种枝节长度对于圆极化AR的影响。首先讨论加载开路枝节长度l5对AR的影响，图13(c)给出了不同l5长度的AR图，从图13(c)中看出随着l5长度的增加，右边的毛刺会向左移动，从而减小了圆极化AR带宽，同时左边的毛刺位置几乎不变。接下来讨论天线枝节长度w5对于圆极化AR的影响，通过仿真和参数扫描得到如图13(d)所示的不同w5长度的AR图，由图13(d)中曲线可以发现，随着天线枝节长度w5的增加，左边的毛刺会向左移动，而右边毛刺位置几乎没有变化。综上所述，通过调节天线金属接地板某些参数尺寸或者介质板上部天线辐射体的某些尺寸都会对圆极化AR产生一定影响，同时，调整天线辐射体中多模谐振器加载开路枝节的长度和天线枝节长度也会对天线-10dB带宽产生影响。所以，为了获得所需要的圆极化宽带滤波天线，则需要对多个尺寸参数同时进行调节，值得注意的是，由于在枝节长度规律变化时圆极化AR的曲线变化也是有规律的，从而大大方便了对于所需天线的设计与优化。
综上，本实用新型提出了一种应用于智能电网无线传感器中的圆极化宽带滤波天线，即将天线和滤波器这两个射频前端的重要组成部分融合设计为滤波天线，通过平行耦合一个多模谐振器实现宽带滤波，结构简单，增益平坦，具有良好的通带边缘选择性；可以降低系统的损耗并减小系统的尺寸，减少单元器件个数，并提高通信系统电磁兼容性，更加有利于集成设计。同时，能在实现宽带滤波的同时收发电磁波；通过更改金属接地板的结构实现圆极化，无额外附加结构，设计方便且结构紧凑。圆极化天线可以对抗多径衰落，并且对收发天线间的位置不敏感。
以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种应用于智能电网无线传感器中的圆极化宽带滤波天线，其特征在于，包括：介质基板、位于介质基板下方的阶梯形状金属接地板和位于介质基板上方的天线辐射体结构；
其中，所述天线辐射体结构由多模谐振器与平面倒L天线平行耦合而成；所述阶梯形状金属接地板包含一个矩形主体结构、与矩形主体结构连接的两个延伸的阶梯型枝节以及一个延伸的矩形枝节。
2.如权利要求1所述的应用于智能电网无线传感器中的圆极化宽带滤波天线，其特征在于，所述平面倒L天线包括两部分，其中第一部分为倒L天线，倒L天线包括纵向枝节和横向枝节，第二部分为天线馈线，第一部分和第二部分之间通过多模谐振器耦合相连。
3.如权利要求2所述的应用于智能电网无线传感器中的圆极化宽带滤波天线，其特征在于，天线馈线的一端为阶梯矩形，该阶梯矩形为天线馈线的耦合部分；横向枝节的一端为阶梯矩形，该阶梯矩形为倒L天线的耦合部分。
4.如权利要求1所述的应用于智能电网无线传感器中的圆极化宽带滤波天线，其特征在于，所述多模谐振器下边缘中心位置加载L型开路枝节。
5.如权利要求2所述的应用于智能电网无线传感器中的圆极化宽带滤波天线，其特征在于，两个延伸的阶梯型枝节分别位于所述阶梯形状金属接地板的矩形主体结构相对的两条横边上；一个延伸的矩形枝节位于矩形主体结构的纵边上，与倒L天线处于同一侧。
6.如权利要求1所述的应用于智能电网无线传感器中的圆极化宽带滤波天线，其特征在于，所述阶梯型枝节为三级矩形阶梯。
7.如权利要求1所述的应用于智能电网无线传感器中的圆极化宽带滤波天线，其特征在于，所述介质基板采用FR4材料，所述介质基板尺寸为50mm×40mm。
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