CN109888478B - 一种基于双极化磁电偶极子的多功能射频器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双极化磁电偶极子的多功能射频器件,包括双极化对称阵子辐射结构、馈电网络结构及反射板；所述双极化对称阵子辐射结构包括两个相互正交的垂直基板，在两个相互正交的垂直基板形成的每个区域内设置三块相互垂直的金属板，其中两块金属板垂直设置在反射板上，另一块金属板水平放置在这两块垂直于反射板的金属板上方；所述馈电网络结构由加载寄生钩形自耦合线的Γ型馈线构成，所述Γ型馈线的一个枝节加载钩形自耦合线，所述钩形自耦合线设置在垂直基板上。本发明无需额外改变电路结构，可以单独控制滤波器和天线信道，实现了双端口多功能射频器件。
Description
技术领域
本发明涉及无线移动通信领域，具体涉及一种基于双极化磁电偶极子的多功能射频器件。
背景技术
我国微波通信广泛应用L、S、C、X诸频段，K频段的应用尚在开发之中。由于微波的频率极高,波长又很短,其在空中的传播特性与光波相近,也就是直线前进,遇到阻挡就被反射或被阻断,因此微波通信的主要方式是视距通信,超过视距以后需要中继转发。微波站的设备包括天线、收发信机、调制器、多路复用设备以及电源设备、自动控制设备等。与传统的单功能设备相比，多功能微波设备具有广泛的潜在应用和优势。具体而言，多功能微波设备可以响应操作要求的变化更新其功能，重新配置以预测用户需求的变化，可以持续地改善环境，并降低与硬件开发周期相关的成本、大小和时间。
滤波器和天线是射频前端必不可少的两个无源器件。为了使其功能多样化，已经投入大量精力设计具有可调中心频率、带宽和传输零点的滤波器，以及在带通和带阻之间切换它们工作模式的滤波器。对可重构工作频率，辐射模式和极化的天线也做了大量工作。此外，还开发了各种滤波器和天线(滤波天线)的协同设计。然而，所有这些设计仅提供单个组件功能，即滤波器或天线。
现阶段还开发了多功能微波元件或可编程微波元件的器件，现有技术通过使用双功能空腔谐振器，提出了一种滤波器和天线集成的二合一设计，实现了三个不同频带的滤波和辐射操作，虽然实现了双极化功能，但带宽仅有0.33％；另外，贴片或介质谐振器用作相同频率的辐射器和滤波器，辐射器仅具有单极化应用；而且在这些设计中，滤波器和天线共用谐振器，因此它们的中心频率或带宽不能独立调谐。
在现有的双极化滤波天线和带通滤波器应用设计中，要考虑如何实现通带边沿具有快速滚降的频率选择性和一定的带外抑制能力，并且可以单独控制滤波器和天线信道；还要求天线结构较简单，体积较小。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于双极化磁电偶极子的多功能射频器件，具备宽带滤波性能，工作性能稳定，具有高增益和高频率选择性。
本发明采用如下技术方案：
一种基于双极化磁电偶极子的多功能射频器件，包括双极化对称阵子辐射结构、馈电网络结构及反射板；
所述双极化对称阵子辐射结构包括两个相互正交的基板，垂直设置在反射板上，在两个相互正交的垂直基板形成的每个区域内设置三块相互垂直的金属板，其中两块金属板垂直设置在反射板上，另一块金属板水平放置在这两块垂直于反射板的金属板上方；
所述馈电网络结构由加载钩形自耦合线的Γ型馈线构成，所述Γ型馈线的一个枝节加载钩形自耦合线，所述Γ型馈线设置在垂直基板上。
本发明水平放置的金属板为方形。
所述Γ型馈线包括两条垂直于反射板的垂直枝节及一条水平枝节，两条垂直枝节连接在水平枝节的两端，所述钩形自耦合线加载在垂直枝节上。
所述两条垂直枝节的长度不同，其中一条垂直枝节与反射板连接，其连接处为馈电端口。
所述钩形自耦合线由四段依次垂直连接的枝节构成，起始段枝节与Γ形馈线的一个枝节垂直。
所述钩形自耦合线加载在与反射板连接的垂直枝节上。
本发明通过调整Γ型馈线中水平枝节的长度控制多功能射频器件的中心频率。
本发明在偶极子辐射通带的高频段，馈电网络结构充当两个谐振器，磁电偶极子部分不辐射但用作馈电网络结构的地，形成一个二阶带通滤波器。
本发明的有益效果：
1、本发明基于双极化磁电偶极子的多功能射频器件，可以通过调整垂直方向的Γ型馈线长度来控制两个谐振器之间的耦合来调谐滤波器带宽，调整水平方向的Γ型馈线长度来控制滤波器的中心工作频率。
2、本发明基于双极化磁电偶极子的多功能射频器件，可以通过调整水平金属板和反射板之间的高度差或者电偶极子的长度来单独控制低频零点的位置，通过调整钩形自耦合线的长度来单独控制高频零点的位置，两者结合实现了良好的带通滤波性能，带内增益较高，带外较低，有效抑制了带外辐射。
3、本发明基于双极化磁电偶极子的多功能射频器件，磁电偶极子对滤波器特性几乎没有影响，可以单独控制滤波器和天线通道，促进了双功能部件的设计。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2(a)及图2(b)分别是图1的俯视图及侧视图；
图3(a)及图3(b)是本发明的垂直基板结构示意图；
图4是本实施例中不同频率下的S参数测量和仿真结果图；
图5是本实施例中不同频率下实际增益的测量和仿真结果图；
图6(a)及图6(b)分别是本发明实施例在中心工作频率1.7GHz处仅激励一个端口的测量及仿真辐射模式图；
图7是本发明实施例在有无自耦部分下的仿真与测量的反射系数；
图8是本发明实施例在有无自耦部分下的仿真与测量的隔离。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，一种基于双极化磁电偶极子的多功能射频器件，包括反射板、双极化对称阵子辐射结构及馈电网络结构。
反射板5水平放置，双极化对称阵子辐射结构垂直放置在反射板上，所述双极化对称阵子辐射结构包括两个相互正交的垂直基板6，具体操作是在其中一个垂直基板的中间位置开有一个矩形缝隙，另一个垂直基板垂直插过。两个相互正交的垂直基板形成四个区域，每个区域内设置三块相互垂直的金属板，三块金属板包括两块垂直金属板3及一块水平金属板4，两块垂直金属板3垂直设置在反射板5上，且两块垂直金属板连接垂直，水平金属板4设置在两块垂直金属板的上方，垂直金属板在低频通带边缘处产生一个辐射零点，获得了尖锐的滚降率，位于四个区域的四个水平金属板一起作为电偶极子，垂直金属板作为四分之一波长的短路贴片天线即磁偶极子。垂直金属板在低频辐射通带边缘产生零点可以通过调节垂直金属板的高度和电偶极子的长度来控制。
垂直基板6的相对介电常数和厚度分别为3.55和0.81mm；基于双极化磁电偶极子的多功能射频器件的俯视图如图2(a)所示，基于双极化磁电偶极子的多功能射频器件的侧视图，如图2(b)所示。
所述馈电网络结构由加载钩形自耦合线2的Γ型馈线1构成，设置在垂直基板上，所述Γ型馈线包括两条垂直枝节及一条水平枝节，两条垂直枝节连接在水平枝节的两端，两条垂直枝节的长度不同，一条垂直枝节与反射板连接，另一条悬空，所述钩形枝节加载在与反射板连接的垂直枝节上。
所述钩形自耦合线2由四段依次垂直连接的枝节构成，起始段枝节与垂直枝节连接，本实施例中钩形朝向向上。这种钩形自耦合线不仅可以起到优化偶极子辐射通带内阻抗匹配的作用，还可以在高频通带边缘产生一个辐射零点，有更尖锐的滚降率且极大地抑制了天线的带外辐射，这种钩形自耦合线产生的辐射零点可以通过改变钩形自耦合线的长度来控制，达到调谐滤波器带宽的作用。
在偶极子辐射通带的更高频段，馈电网络结构充当两个谐振器，磁电偶极子部分不辐射但是用作馈电网络的地，形成一个二阶带通滤波器，通过调整Γ形馈线长度来控制滤波器的中心工作频率。
本结构无需改变额外的参数，通过设置两个端口的连接方式，可以实现滤波天线的辐射功能和单独滤波器的电路功能。
如图3(a)及图3(b)所示，本实施例中的垂直金属板3和水平金属板4在1.51GHz处产生新的辐射零点，在较低频带边缘处获得了急剧的滚降率；钩形自耦合线2在2.61GHz处产生另一个辐射零点，并且获得在上频带边缘处的急剧滚降率。
如图4及图5所示，本发明一个具体实施例中S11-频率、S12-频率和实际增益曲线-频率的测量和仿真结果图。可以看出仿真和测试的阻抗带宽基本为1.42-1.82GHz和2.8-2.98GHz，相对带宽分别为24.7％和6.8％。可以看出，仿真结果S11和测试结果S11有很好的一致性。也可看出仿真和测试的两个端口的隔离超过23dB，相互影响较小。
参阅图5，通带1.42-1.82GHz内仿真的平均增益是8.5dBi，而测量的平均增益大约是7.6dBi，测量结果和仿真结果之间的差异主要是由于制造公差以及其他测量误差造成的，但影响不大；在0.6-1.25GHz和2.15-3GHz范围内测量的带外增益比带内增益低超过13.5dB，有效地抑制了带外辐射；而且在通带边缘产生了两个辐射零点，有利于实现滤波性能。
参阅图6(a)及图6(b)，是本发明一个具体实施例中在中心工作频率1.7GHz处仅激励一个端口的测量和仿真辐射模式图，可以看出在E/H平面中均获得小于23dB的低交叉极化水平；
参阅图7-图8，是本发明一个具体实施例中在有无自耦合线两种状态下的S11-频率和S12-频率的仿真结果图，可以看出在1.4,1.6,2.8和3.0GHz的频率下分别激发四种谐振模式，在前两个谐振模式1.4和1.6GHz的频率下，S12小于-15dB，因此在该频带中信号被辐射或反射；存在一个以2.9GHz为中心且小于0.8dB的低插入损耗的通带，由此看出信号通过两个端口，形成一个二阶带通滤波器。
本发明作为滤波天线使用时，一对磁电偶极子上采用加载钩形自耦合线的新型馈电网络，可以在天线通带高频带外产生一个辐射零点，此外，天线阵子臂与巴伦地板可以在天线通带低频段部分形成一个谐振模式，产生辐射零点，通过这两个辐射零点实现了该双极化天线的带通滤波响应效果；作为滤波器使用时，磁电偶极子在这个状态下不辐射，而是作为馈电网络的地板，馈电网络则作为两个谐振器，形成二阶带通滤波器。因此，无需额外改变电路结构，可以单独控制滤波器和天线信道，实现了双端口多功能射频器件。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于双极化磁电偶极子的多功能射频器件，其特征在于，包括双极化对称阵子辐射结构、馈电网络结构及反射板；
所述双极化对称阵子辐射结构包括两个相互正交的基板，垂直设置在反射板上，在两个相互正交的垂直基板形成的每个区域内设置三块相互垂直的金属板，其中两块金属板垂直设置在反射板上，另一块金属板水平放置在这两块垂直于反射板的金属板上方；
所述馈电网络结构由加载钩形自耦合线的Γ型馈线构成，所述Γ型馈线设置在垂直基板上；
所述Γ型馈线包括两条垂直于反射板的垂直枝节及一条水平枝节，两条垂直枝节连接在水平枝节的两端，所述钩形自耦合线加载在垂直枝节上；
在偶极子辐射通带的高频段，馈电网络结构充当两个谐振器，磁电偶极子部分不辐射但用作馈电网络结构的地，形成一个二阶带通滤波器。
2.根据权利要求1所述的多功能射频器件，其特征在于，水平放置的金属板为方形。
3.根据权利要求1所述的多功能射频器件，其特征在于，所述两条垂直枝节的长度不同，其中一条垂直枝节与反射板连接，其连接处为馈电端口。
4.根据权利要求1所述的多功能射频器件，其特征在于，所述钩形自耦合线由四段依次垂直连接的枝节构成，起始段枝节与Γ形馈线的一个枝节垂直。
5.根据权利要求3所述的多功能射频器件，其特征在于，所述钩形自耦合线加载在与反射板连接的垂直枝节上。
6.根据权利要求1所述的多功能射频器件，其特征在于，通过调整Γ型馈线中水平枝节的长度控制多功能射频器件的中心频率。
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