CN219643120U - 一种应急通信的滤波天线阵列 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及无线通信技术领域，公开了一种应急通信的滤波天线阵列，包括中心阵列单元和四个边缘阵列单元。中心阵列单元包括第一谐振腔以及与第一谐振腔连通的第二谐振腔、第三谐振腔和第四谐振腔；第二谐振腔位于第一谐振腔的顶部中心位置；第二谐振腔的上下两侧分别为第三谐振腔，第二谐振腔的左右两侧分别为第四谐振腔；第三谐振腔和第四谐振腔的内部包括垂直于横向辐射槽的第一金属轴和第二金属轴。四个边缘阵列单元分别位于中心阵列单元的45°角、135°角、225°角和315°角上，且每一个边缘阵列单元与中心阵列单元共用一个第三谐振腔和一个第四谐振腔。该滤波天线阵列可满足高集成度和高辐射性能要求的同时可降低网络损耗。

Description

一种应急通信的滤波天线阵列

技术领域

本实用新型涉及无线通信技术领域，具体而言，涉及一种应急通信的滤波天线阵列。

背景技术

现代意义的应急通信，一般指在出现自然的或人为的突发性紧急情况时，综合利用各种通信资源，保障救援、紧急救助和必要通信所需的通信手段和方法，是一种具有暂时性的、为应对自然或人为紧急情况而提供的特殊通信机制。应急通信要求在应急突发事件发生时将事故现场的相关信息远程回传至指挥台，通过指挥台对事故现场进行远程调度指挥。因此，应急通信对负责信息回传的设备的性能提出了更高的要求，例如要求回传信息设备具有高集成度、高辐射性能和低网络损耗等。

滤波天线因其具有降低匹配网络损耗的特性，被广泛运用于应急通信系统中。目前，应用于应急通信系统中的滤波天线通常采用以下三种方法设计得到：第一种方法是对滤波器和天线进行单独设计，通过级联得到滤波天线；第二种方法是利用带滤波器综合设计的方式得到滤波天线；第三种方法是采用在天线设计结构中引入辐射零点的方式得到滤波天线。上述第一种方法可减少匹配网络的设计，但集成度不高；第二种方法能够提高集成度，但对无载品质因数较低的谐振器而言，网络损耗较大；第三种方法虽能够提高集成度，但设计方法不统一。另外，圆环形阵列排布方式被广泛运用于滤波天线设计中，圆环形阵列排布方式能够使天线辐射性能更加均匀，但圆环形阵列内部空虚，空间利用率较低。

有鉴于此，特提出本申请。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：现有的用于应急通信系统的滤波天线不能同时满足高集成度、高辐射性能和低网络损耗。目的在于提供一种应急通信的滤波天线阵列，满足高集成度和高辐射性能要求的同时可降低网络损耗。

本实用新型通过下述技术方案实现：

一种应急通信的滤波天线阵列，包括中心阵列单元和四个边缘阵列单元。其中，中心阵列单元包括第一谐振腔以及与第一谐振腔连通的第二谐振腔、第三谐振腔和第四谐振腔；第二谐振腔位于第一谐振腔的顶部中心位置；第一谐振腔的顶部所在平面上，第二谐振腔的上下两侧分别为第三谐振腔，第二谐振腔的左右两侧分别为第四谐振腔；第三谐振腔的顶部设置有横向辐射槽，第三谐振腔的内部包括垂直于横向辐射槽的第一金属轴和第二金属轴；第一金属轴位于横向辐射槽的一端靠近第三谐振腔的顶部位置，第二金属轴位于横向辐射槽的另一端靠近第三谐振腔的底部位置；第四谐振腔由第三谐振腔旋转90°得到。将中心阵列单元的第三谐振腔和第四谐振腔旋转90°后得到边缘阵列单元；四个边缘阵列单元的中心分别位于中心阵列单元的45°角、135°角、225°角和315°角上；每一个边缘阵列单元与中心阵列单元共用一个第三谐振腔和一个第四谐振腔。

进一步的，第一谐振腔的横截面为十字形；第二谐振腔的底部中心位置和第一谐振腔的顶部中心位置均设置有形状和大小相同的十字缝隙，电场通过十字缝隙从第一谐振腔进入第二谐振腔；两个第三谐振腔的底部中心位置和第一谐振腔的纵轴顶部的两端均设置有形状和大小相同的横向缝隙，电场通过横向缝隙从第一谐振腔进入第三谐振腔；两个第四谐振腔的底部中心位置和第一谐振腔的横轴顶部的两端均设置有形状和大小相同的纵向缝隙，电场通过纵向缝隙从第一谐振腔进入第四谐振腔。

进一步的，第二谐振腔的顶部中心位置设置有十字形辐射槽，第三谐振腔的顶部设置有平行于横向缝隙的横向辐射槽，第四谐振腔的顶部中心位置设置有平行于纵向缝隙的纵向辐射槽；俯视角度上，十字形辐射槽与十字缝隙重合，横向辐射槽与横向缝隙重合，纵向辐射槽与纵向缝隙重合。

进一步的，十字辐射槽的纵向槽口的尺寸与纵向辐射槽的尺寸相同，十字辐射槽的横向槽口的尺寸与横向辐射槽的尺寸相同。

进一步的，中心阵列单元还包括馈电线，馈电线位于第一谐振腔的下方中心位置；第一谐振腔的底部中心位置设置有十字缝隙，馈电线发出的电场通过十字缝隙进入第一谐振腔。

进一步的，第一谐振腔为TE301模谐振腔，第二谐振腔、第三谐振腔和第三谐振腔为TE101模矩形谐振腔。

进一步的，第一谐振腔和第二谐振腔的内部均包括第一带阻滤波结构，第三谐振腔和第四谐振腔的内部均包括第二带阻滤波结构。

进一步的，第一带阻滤波结构包括两条纵向金属杆、两条横向金属杆和两条金属连接杆；两条纵向金属杆在同一平面上平行交错排列，两条纵向金属杆均垂直于横向缝隙，两条纵向金属杆所在的平面垂直于电场传播方向；两条纵向金属杆相互靠近的一端分别与其中一条金属连接杆的两端连接，两条纵向金属杆相互远离的一端分别固定连接在第一谐振腔的纵轴的内壁上；两条横向金属杆在同一平面上平行交错排列，两条横向金属杆均垂直于纵向缝隙，两条横向金属杆所在的平面垂直于电场传播方向；两条横向金属杆相互靠近的一端分别与另一条金属连接杆的两端连接，两条横向金属杆相互远离的一端分别固定连接在第一谐振腔的横轴的内壁上。

进一步的，第一带阻滤波结构的两条纵向金属杆、两条横向金属杆和两条金属连接杆位于同一平面内，两条金属连接杆相交，交点位于第一谐振腔的中心位置。

进一步的，第二带阻滤波结构包括两条金属杆和一条金属连接杆；两条金属杆在同一平面上平行交错排列，两条金属杆均垂直于位于谐振腔底部的缝隙，两条金属杆所在的平面垂直于电场传播方向；两条金属杆相互靠近的一端分别与金属连接杆的两端连接，两条金属杆相互远离的一端分别固定连接在谐振腔的内壁上。

本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、一方面，基于传统矩阵式栅格天线阵列排的高集成度特性和圆环形天线阵列的高度对称性(高辐射性能)，采用顺序旋转交叠组阵技术将矩阵式天线阵列绕其中心旋转，得到等效的圆环形天线阵列；进一步利用旋转对称原理，将滤波天线阵列分为内围和外围，即内围布置一个中心阵列单元，在中心阵列单元的外围布置四个边缘阵列单元；并且每一个阵列单元同样分为内围和外围，即内围布置一个中心阵元，在中心阵元的外围布置四个边缘阵元，使得滤波天线阵列从整体上满足旋转对称性，且每一个阵列单元满足旋转对称性，最终得到的滤波天线阵列为八边形边界结构，既具有矩阵式栅格天线阵列的高集成度，也具有圆环形天线阵列的高度对称性(高辐射性能)，弥补了单一的圆环形天线阵列内部空虚的缺陷；另一方面，考虑到阵元之间的旁瓣效应，采用了叠层的方式布置阵列单元，即自下而上分别为馈电层、中间层谐振腔和上层谐振腔，中间层谐振腔用于功率分配，上层谐振腔用于辐射信号，并结合八边形边界结构的特征，在上层谐振腔内部设置金属轴用于改变电场的辐射相位，使上层同一直线上的三个谐振腔的相位相同，实现降低滤波天线的旁瓣，提高增益。

2、考虑到高集成度天线阵列内部阵元之间的间隔较小，阵元之间相互干扰，在各谐振腔内部设置了带阻滤波结构，在通带范围内减小对谐振腔内部的电场扰动，在阻带范围内增大对谐振腔内部的电场扰动，从而减小相邻阵元之间的互耦，进而降低网络损耗。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本实用新型实施例提供的滤波天线阵列为八边形边界结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的中心阵列单元的整体结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的中心阵列单元的整体结构透视图；

图4为本实用新型实施例提供的内置两条金属轴的第三谐振腔的整体结构透视图；

图5为本实用新型实施例提供的内置两条金属轴的第一谐振腔和第三谐振腔的整体结构透视图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-中心阵列单元，2-边缘阵列单元，11-第一谐振腔，12-第二谐振腔，13-第三谐振腔，14-第四谐振腔，15-馈电线，111-第一带阻滤波结构，112-第二带阻滤波结构，121-横向辐射槽，122-第一金属轴，123-第二金属轴。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。

实施例

本实施例提供一种应急通信的滤波天线阵列，该滤波天线阵列结合了传统矩阵式栅格天线阵列排的高集成度特性和圆环形天线阵列的高度对称性。该滤波天线阵列分为内围和外围，即内围分布有一个中心阵列单元，在中心阵列单元的外围分布有四个边缘阵列单元。并且每一个阵列单元同样分为内围和外围，即中心阵元的外围布置四个边缘阵元，使得滤波天线阵列从整体上满足旋转对称性，且每一个阵列单元满足旋转对称性，最终得到的滤波天线阵列为八边形边界结构，如图1所示。

从图1中可以看出，将中心阵列单元1的第三谐振腔13和第四谐振腔14旋转90°后得到边缘阵列单元2；四个边缘阵列单元2的中心分别位于中心阵列单元1的45°角、135°角、225°角和315°角上；每一个边缘阵列单元2与中心阵列单元1共用一个第三谐振腔13和一个第四谐振腔14。

其中，中心阵列单元1的整体结构如图2和图3所示，图3为中心阵列单元1中各谐振腔的透视图。本实施例的天线阵列单元采用了叠层式结构，从下往上依次为位于底层的馈电线15、位于中间层的第一谐振腔11和位于顶层的第二谐振腔12、第三谐振腔13和第四谐振腔14。

选材上，第一谐振腔11为TE301模谐振腔，第二谐振腔12、第三谐振腔13和第三谐振腔13为TE101模矩形谐振腔。

结构上，第二谐振腔12、第三谐振腔13和第四谐振腔14与第一谐振腔11连通。第二谐振腔12位于第一谐振腔11的顶部中心位置。在第一谐振腔11的顶部所在平面上，第二谐振腔12的上下两侧分别为第三谐振腔13，第二谐振腔12的左右两侧分别为第四谐振腔14。

其中，第一谐振腔11的横截面为十字形。第二谐振腔12的底部中心位置和第一谐振腔11的顶部中心位置均设置有形状和大小相同的十字缝隙，电场通过十字缝隙从第一谐振腔11进入第二谐振腔12。两个第三谐振腔13的底部中心位置和第一谐振腔11的纵轴顶部的两端均设置有形状和大小相同的横向缝隙，电场通过横向缝隙从第一谐振腔11进入第三谐振腔13。第四谐振腔14由第三谐振腔13旋转90°得到，两个第四谐振腔14的底部中心位置和第一谐振腔11的横轴顶部的两端均设置有形状和大小相同的纵向缝隙，电场通过纵向缝隙从第一谐振腔11进入第四谐振腔14。

进一步的，第二谐振腔12的顶部中心位置设置有十字形辐射槽，第三谐振腔13的顶部设置有平行于横向缝隙的横向辐射槽121，第四谐振腔14的顶部中心位置设置有平行于纵向缝隙的纵向辐射槽。俯视角度上，十字形辐射槽与十字缝隙重合，横向辐射槽121与横向缝隙重合，纵向辐射槽与纵向缝隙重合。并且，十字辐射槽的纵向槽口的尺寸与纵向辐射槽的尺寸相同，十字辐射槽的横向槽口的尺寸与横向辐射槽121的尺寸相同。

馈电线15位于第一谐振腔11的下方中心位置；第一谐振腔11的底部中心位置设置有十字缝隙，馈电线15发出的电场通过十字缝隙进入第一谐振腔11。

本实施例提供的上述滤波天线阵列结构结合矩阵栅格式天线阵列结构和同心圆环阵列结构的对称性，得到正方形栅格八边形边界。同时将天线阵列分为了内围和外围，内围的中心阵列单元1满足旋转对称特性的同时，与位于外围的四个边缘阵列单元2组合构成旋转对称阵列，继而形成了五个旋转对称阵列，既满足了矩阵栅格式天线阵列高集成度的同时也具有圆环形天线阵列的高对称性，可提高天线阵列的辐射性能。

如图4所示，第三谐振腔13的内部包括垂直于横向辐射槽121的第一金属轴122和第二金属轴123；第一金属轴122位于横向辐射槽121的一端靠近第三谐振腔13的顶部位置，第二金属轴123位于横向辐射槽121的另一端靠近第三谐振腔13的底部位置。从图4可以看出，第四谐振腔14通过第三谐振腔13旋转90°得到。

第三谐振腔13和第四谐振腔14的内部加入了双轴结构形成了双轴腔。第一谐振腔11具有谐振器和功率分配器的作用，根据电场在TE301模腔体内传播的特点，第一谐振腔11模内的电场具有三个波腹，如果三个波腹均用于耦合下一级电路，则第二谐振腔12内的电场与位于两侧的第三谐振腔13或第四谐振腔14内的电场会出现180°的相反相位，导致阵列单元的旁瓣效益提高。因此，本实施例采用具有双轴结构的第三谐振腔13和第四谐振腔14，由于双轴使得第三谐振腔13和第四谐振腔14内的电场方向相反，使得加入双轴后的第三谐振腔13和第四谐振腔14内的电场与第二谐振腔12内部的电场方向相同，从而提高天线阵列单元的增益，可有效降低旁瓣效应。

作为对本实施例的进一步改进，如图5所示，第一谐振腔11和第二谐振腔12的内部均包括第一带阻滤波结构111，第三谐振腔13和第四谐振腔14的内部均包括第二带阻滤波结构112。

其中，第一带阻滤波结构111包括两条纵向金属杆、两条横向金属杆和两条金属连接杆；两条纵向金属杆在同一平面上平行交错排列，两条纵向金属杆均垂直于横向缝隙，两条纵向金属杆所在的平面垂直于电场传播方向；两条纵向金属杆相互靠近的一端分别与其中一条金属连接杆的两端连接，两条纵向金属杆相互远离的一端分别固定连接在第一谐振腔11的纵轴的内壁上；两条横向金属杆在同一平面上平行交错排列，两条横向金属杆均垂直于纵向缝隙，两条横向金属杆所在的平面垂直于电场传播方向；两条横向金属杆相互靠近的一端分别与另一条金属连接杆的两端连接，两条横向金属杆相互远离的一端分别固定连接在第一谐振腔11的横轴的内壁上。并且，第一带阻滤波结构111的两条纵向金属杆、两条横向金属杆和两条金属连接杆位于同一平面内，两条金属连接杆相交，交点位于第一谐振腔11的中心位置。

第二带阻滤波结构112包括两条金属杆和一条金属连接杆；两条金属杆在同一平面上平行交错排列，两条金属杆均垂直于位于谐振腔底部的缝隙，两条金属杆所在的平面垂直于电场传播方向；两条金属杆相互靠近的一端分别与金属连接杆的两端连接，两条金属杆相互远离的一端分别固定连接在谐振腔的内壁上。

由于本实施例的天线阵列采用高集成度的结构布局，阵元之间的距离较小，接收通道容易受到发射端信号干扰，导致接收端的低噪声放大器饱和。根据电场在谐振腔内的传播特点：电场适量垂直于谐振腔顶部或底部，电场的幅值中间最大并向两侧递减，磁场平行于谐振腔的顶部或底部且呈椭圆环分布。根据上述电场在谐振腔内传播的特点，本实施例在谐振腔内布置，本实施例采用上述结构的带阻滤波结构，使谐振腔的内部场发生扰动——在通带范围内，带阻滤波结构对谐振腔内部的磁场扰动较小，而在阻带范围内，带阻滤波结构对谐振腔内部的磁场扰动较大，可对磁场信号起到有效的抑制作用，从而起到降低网络损耗的效果。

以上所述的具体实施方式，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方式而已，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 (10)

1.一种应急通信的滤波天线阵列，其特征在于，包括中心阵列单元(1)和四个边缘阵列单元(2)；

中心阵列单元(1)包括第一谐振腔(11)以及与第一谐振腔(11)连通的第二谐振腔(12)、第三谐振腔(13)和第四谐振腔(14)；第二谐振腔(12)位于第一谐振腔(11)的顶部中心位置；第一谐振腔(11)的顶部所在平面上，第二谐振腔(12)的上下两侧分别为第三谐振腔(13)，第二谐振腔(12)的左右两侧分别为第四谐振腔(14)；第三谐振腔(13)的顶部设置有横向辐射槽(121)，第三谐振腔(13)的内部包括垂直于横向辐射槽(121)的第一金属轴(122)和第二金属轴(123)；第一金属轴(122)位于横向辐射槽(121)的一端靠近第三谐振腔(13)的顶部位置，第二金属轴(123)位于横向辐射槽(121)的另一端靠近第三谐振腔(13)的底部位置；第四谐振腔(14)由第三谐振腔(13)旋转90°得到；

将中心阵列单元(1)的第三谐振腔(13)和第四谐振腔(14)旋转90°后得到边缘阵列单元(2)；四个边缘阵列单元(2)的中心分别位于中心阵列单元(1)的45°角、135°角、225°角和315°角上；每一个边缘阵列单元(2)与中心阵列单元(1)共用一个第三谐振腔(13)和一个第四谐振腔(14)。

2.根据权利要求1所述的一种应急通信的滤波天线阵列，其特征在于，

第一谐振腔(11)的横截面为十字形；

第二谐振腔(12)的底部中心位置和第一谐振腔(11)的顶部中心位置均设置有形状和大小相同的十字缝隙，电场通过十字缝隙从第一谐振腔(11)进入第二谐振腔(12)；

两个第三谐振腔(13)的底部中心位置和第一谐振腔(11)的纵轴顶部的两端均设置有形状和大小相同的横向缝隙，电场通过横向缝隙从第一谐振腔(11)进入第三谐振腔(13)；

两个第四谐振腔(14)的底部中心位置和第一谐振腔(11)的横轴顶部的两端均设置有形状和大小相同的纵向缝隙，电场通过纵向缝隙从第一谐振腔(11)进入第四谐振腔(14)。

3.根据权利要求2所述的一种应急通信的滤波天线阵列，其特征在于，

第二谐振腔(12)的顶部中心位置设置有十字形辐射槽，第三谐振腔(13)的顶部设置有平行于横向缝隙的横向辐射槽，第四谐振腔(14)的顶部中心位置设置有平行于纵向缝隙的纵向辐射槽；

俯视角度上，十字形辐射槽与十字缝隙重合，横向辐射槽与横向缝隙重合，纵向辐射槽与纵向缝隙重合。

4.根据权利要求3所述的一种应急通信的滤波天线阵列，其特征在于，十字辐射槽的纵向槽口的尺寸与纵向辐射槽的尺寸相同，十字辐射槽的横向槽口的尺寸与横向辐射槽的尺寸相同。

5.根据权利要求4所述的一种应急通信的滤波天线阵列，其特征在于，中心阵列单元(1)还包括馈电线(15)，馈电线(15)位于第一谐振腔(11)的下方中心位置；第一谐振腔(11)的底部中心位置设置有十字缝隙，馈电线(15)发出的电场通过十字缝隙进入第一谐振腔(11)。

6.根据权利要求1-5中任一所述的一种应急通信的滤波天线阵列，其特征在于，第一谐振腔(11)为TE301模谐振腔，第二谐振腔(12)、第三谐振腔(13)和第四谐振腔(14)为TE101模矩形谐振腔。

7.根据权利要求2-5中任一所述的一种应急通信的滤波天线阵列，其特征在于，第一谐振腔(11)和第二谐振腔(12)的内部均包括第一带阻滤波结构(111)，第三谐振腔(13)和第四谐振腔(14)的内部均包括第二带阻滤波结构(112)。

8.根据权利要求7所述的一种应急通信的滤波天线阵列，其特征在于，第一带阻滤波结构(111)包括两条纵向金属杆、两条横向金属杆和两条金属连接杆；

两条纵向金属杆在同一平面上平行交错排列，两条纵向金属杆均垂直于横向缝隙，两条纵向金属杆所在的平面垂直于电场传播方向；两条纵向金属杆相互靠近的一端分别与其中一条金属连接杆的两端连接，两条纵向金属杆相互远离的一端分别固定连接在第一谐振腔(11)的纵轴的内壁上；

两条横向金属杆在同一平面上平行交错排列，两条横向金属杆均垂直于纵向缝隙，两条横向金属杆所在的平面垂直于电场传播方向；两条横向金属杆相互靠近的一端分别与另一条金属连接杆的两端连接，两条横向金属杆相互远离的一端分别固定连接在第一谐振腔(11)的横轴的内壁上。

9.根据权利要求8所述的一种应急通信的滤波天线阵列，其特征在于，第一带阻滤波结构(111)的两条纵向金属杆、两条横向金属杆和两条金属连接杆位于同一平面内，两条金属连接杆相交，交点位于第一谐振腔(11)的中心位置。

10.根据权利要求7所述的一种应急通信的滤波天线阵列，其特征在于，第二带阻滤波结构(112)包括两条金属杆和一条金属连接杆；两条金属杆在同一平面上平行交错排列，两条金属杆均垂直于位于谐振腔底部的缝隙，两条金属杆所在的平面垂直于电场传播方向；两条金属杆相互靠近的一端分别与金属连接杆的两端连接，两条金属杆相互远离的一端分别固定连接在谐振腔的内壁上。