一种宽带圆极化的滤波混合天线

1.本发明属于无线通信技术领域，涉及一种宽带圆极化的滤波混合天线，具体是一种用液体与固体材料构造的宽带圆极化滤波混合天线。


背景技术：

2.随着现代通信的发展，低功耗、高集成度、多功能成为一种发展趋势。作为射频前端的两个重要器件：天线和滤波器，在传统的设计中是先分别独立设计，再通过匹配电路将二者进行级联。独立设计再级联的方法易引起阻抗失配问题，同时增加了整体前端尺寸，且滤波器的损耗不可避免，降低了天线的辐射性能。为了避免这些问题，研究者们提出将天线和滤波器协同设计在一个模块中，即滤波天线。这种设计有效的降低了射频前端的尺寸和损耗，提高了整体性能。
3.相比于线性极化(lp)天线，圆极化(cp)天线本身具有抗多径干扰的特性，被广泛应用于射频识别(rfid)系统、全球定位系统、卫星通信/导航系统等各类移动通信系统中。从馈电方式上来看，实现圆极化天线的方法主要分为单馈法和多馈法，通过激励起两个幅度相等，相位差为90
°
的正交模来实现圆极化特性。单馈圆极化天线由于其加工简单，成本低廉，受到普遍关注，但是轴比带宽较窄，已不能满足现如今无线通信系统的大容量、高速率的需求。为了提高带宽，研究者们研究了一些拓宽带宽的技术，例如加载寄生单元或缝隙，激励新的谐振点或者高次模来拓宽带宽。
4.目前，已经报道了许多种液体天线，包括海水单极子天线、液体介质贴片天线、液体介质谐振器天线等。应用最广泛的液体材料是水，主要是因为水的成本低、易于获得。但随着频率增大，水的损耗也增大，为了更好的辐射性能通常应用在低频段(f《2ghz)，且液态水对温度很敏感，当温度低于0℃，变成固体冰，电磁特性和物理尺寸都会受到改变。而乙酸乙酯是一种液态有机溶剂，其相对介电常数约为7，损耗正切《0.04。在热效应方面，乙酸乙酯性能稳定，其冰点低于-20℃。因此，利用乙酸乙酯制作的液体介质天线也将在未来的无线通信系统中发挥重要作用。
5.综上可见，克服现有单馈圆极化天线带宽窄的问题，利用新型液体材料研究一种多功能宽带透明的滤波天线具有巨大的发展前景。


技术实现要素：

6.本发明的目的是针对克服现有技术的不足，提出一种辐射效率高、带宽宽、结构简单的圆极化滤波天线。该天线在工作频率覆盖1.37ghz～2.05ghz，具有稳定的增益和较宽的圆极化带宽，且不需要额外的滤波电路即可实现带通滤波的功能。
7.为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：
8.一种宽带圆极化滤波混合天线，包括：
9.介质基板；
10.金属地板，位于介质基板上方；
11.微带馈线，位于介质基板下方；
12.c型微带枝节，位于介质基板下方；
13.介质容器，位于介质基板上方，用于盛放介质液体；
14.呈中心对称的四个不接触的倒l型金属条，位于介质容器四周且不与介质容器接触；
15.其中：
16.所述金属地板中间蚀刻两条不同长度的正交槽，形成“十”字型交叉槽；通过“十”字型交叉槽耦合馈电，激发出两个振幅相等、相位差为90
°
的正交模，实现一个圆极化波；
17.四个倒l型金属条的一端接金属地板，构造了四个旋转对称的二分之一波长的水平电流，实现圆极化特性；
18.所述c型微带枝节与微带馈线正交，且其开口朝外；
19.作为优选，所述介质容器为长方体结构，上方开孔便于注入液体；
20.作为优选，所述介质基板为方形，大小与金属地相同；
21.作为优选，微带馈线分为三个部分匹配天线，具体依次包括50ω传输线、第一微带线、第二微带线；第一微带线的线宽大于第二微带线；
22.作为优选，50ω传输线内蚀刻一个u型槽，用于在低频处引入一个零值；
23.作为优选，c型微带枝节由一个直臂和两弯曲臂组成，直臂与第一微带线垂直，用于在高频处引入一个零值；
24.作为优选，倒l型金属条由短臂和长臂组成，短臂与金属地垂直，长臂与金属地平行且两者间留有空气层，且长臂与介质容器侧面平行设置；
25.作为优选，所述介质容器的材质为聚氯乙烯(pvc塑料)，介电常数εr为2.7，损耗角正切tanδ＝0.007；
26.作为优选，所述中间介质容器盛放的介质液体为乙酸乙酯，相对介电常数εr为6.6，损耗角正切tanδ＝0.02；
27.作为优选，所述l型金属条长臂为λ/2，短臂为λ/4；其中λ指代自由空间波长；
28.作为优选，所述金属地板的大小为0.85λ0×
0.85λ0；介质容器的长、宽均为0.34λ0，高度为0.23λ0，厚度为0.011λ0；其中λ0指代天线的中心频率的工作波长。
29.本发明与现有天线相比，其具有的有益效果是：
30.1、本发明通过旋转对称放置四个倒l型金属条，构造了四个旋转对称的二分之一波长的水平电流，实现了圆极化特性。
31.2、本发明通过不等长的两个缝隙耦合馈电液体介质谐振器，实现了圆极化特性，拓展了整体天线的轴比带宽，同时可通过改变液体的高度，实现轴比带宽的调节，满足不同系统对工作带宽的需求。
32.3、本发明在微带馈线上设计一个u型槽和c型微带枝节，在不需要额外滤波电路的情况下实现了滤波功能，并且可以通过调节u型槽和c型微带枝节的长度独立调谐每个零点的频率。
33.4、本发明在性能上有很大的提高。在工作频段内，阻抗带宽可达40％，增益稳定在7.5dbi以上，圆极化的轴比带宽达38.8％。
附图说明
34.图1是本发明的立体结构示意图；
35.图2是本发明的侧视结构示意图；
36.图3是本发明的俯视结构示意图；
37.图4是本发明的微带线和交叉槽示意图；
38.图5是本发明的|s
11
|反射系数曲线图；
39.图6是本发明有无滤波效果的增益曲线对比图；
40.图7是本发明仅有液体dr或仅有倒l型金属天线的ar曲线图；
41.图8是本发明天线辐射效率曲线图和混合天线的ar曲线图；
42.图9是本发明工作在频率为1.5ghz的辐射方向图；其中(a)是时的主极化和交叉极化方向图，(b)是时的主极化和交叉极化方向图；
43.图10是本发明工作在频率为1.7ghz的辐射方向图；其中(a)是时的主极化和交叉极化方向图，(b)是时的主极化和交叉极化方向图；
44.图11是本发明工作在频率为2ghz的辐射方向图；其中(a)是时的主极化和交叉极化方向图，(b)是时的主极化和交叉极化方向图。
具体实施方式
45.以下结合附图对本发明作进一步说明。
46.如图1～3所示，一种宽带圆极化滤波混合天线，包括：方形介质基板s，金属地板g，金属地板g上蚀刻十字形交叉槽s1，固定在金属地板g上方的方形介质容器c1，倒l型金属条m2，微带馈线m，微带线上蚀刻的u型槽s2，c型微带枝节m1。
47.所述金属地板g印刷在方形介质基板s上方，介质基板采用介电常数为3.38的arlon25n介质板，边长为150mm，厚度为0.813mm。
48.所述金属地板g中间蚀刻两条不同长度的正交“十”字交叉槽s1，通过与微带线耦合馈电，激发出两个振幅相等、相位差为90
°
的正交模，从而实现了圆极化。正交“十”字交叉槽s1包括正交的长槽和短槽，长槽、短槽分别与方形介质容器c1的两条对角线重合；其中长槽的长度l1，短槽的长度l2，选择合适尺寸的交叉槽，可以调节两个正交模式从而实现较好的圆极化性能。
49.所述金属微带馈线m位于介质基板s下方，分为三个部分来匹配天线。如图4所示，第一部分是50ω传输线，宽度wf1为1.88mm，长度lf1为26mm。第二部分为第一微带线，其宽度wf2为5mm，长度lf2为15mm，而最后一部分为第二微带线，其宽度wf3为1.6mm，长度lf3为43mm。通过调节微带线的长度匹配阻抗。
50.所述第一部分50ω传输线上蚀刻一个u型槽s2，由一个短槽和两个长槽组成，通过改变u型槽的长度l3、l4可以调节低频处的零值；u型槽s2开口朝向馈电输入端。
51.所述c型微带枝节由一个长度为ls的直臂和两个尺寸为wa和la的弯曲臂组成。直臂水平垂直于第二部分第一微带线。通过改变长臂或弯曲臂的长度可以调节高频处的零值。
52.所述倒l型金属条长臂宽为a2，长为b2，短臂长为d2。短臂与金属地垂直，长臂与金
属地平行，围绕z轴旋转放置，通过水平长臂引入90
°
相位差的水平电流，产生新的圆极化波。
53.以方形介质容器c1的中心点为原点，以方形介质容器c1的长宽分别沿y轴和x轴延伸，上下厚度沿z轴延伸，x、y、z轴构成直角坐标系；所述倒l型金属条与x轴、y轴的偏移量为ox、oy，通过偏移量ox、oy调节四个倒l型金属条m2实现的圆极化匹配。
54.所述介质容器c1为上方开孔的矩形容器，长宽高为a1×
b1×
d1，厚度为t。采用的材料为透明聚氯乙烯(pvc塑料)，介电常数为2.7，损耗正切值tanδ＝0.007。
55.本实施例中，倒l型金属条绕z轴旋转放置在金属地平面上，通过调节倒l型金属条的位置，可以得到90
°
的相位差，当场的大小相等时，得到一个圆极化波。所述介质容器c1中装的介质液体是乙酸乙酯，与介质容器构成混合介质谐振器，通过交叉缝隙耦合馈电实现了一个圆极化介质谐振器天线，从而拓宽了整体圆极化带宽。在频率1.7ghz左右，乙酸乙酯介电常数为6.6，损耗正切值为0.02。
56.如表1所示，是结构优化后的参数。其中的λ0为设计中心频率的工作波长。本实施例中，设计的中心频率为1.7ghz，λ0约等于176.5mm。
57.表1
58.参数a1b1d1a2b2d2oxoy值(mm)0.34λ00.34λ00.23λ00.034λ00.4λ00.17λ00.056λ00.34λ0参数l1l2l3l4lslawat值(mm)0.43λ00.22λ00.13λ00.004λ00.29λ00.11λ00.023λ00.011λ059.其中a1、b1、d1分别表示介质容器的长、宽、高，t表示介质容器的厚度，a2、b2分别表示l型金属的长臂长、宽，d2表示l型金属的短臂长，ox、oy为l型金属对于x轴、y轴的偏移量，l1、l2分别表示交叉槽的长度，l3、l4分别表示u型槽的长度，ls、la、wa分别表示c型微带枝节的直臂和弯曲臂长度。
60.如图5所示，是本发明的|s
11
|仿真图，由图可以看出该天线在工作频段1.37ghz～2.05ghz内满足反射系数|s
11
|《-10db，相对带宽为40％。
61.如图6所示，是本发明的左旋圆极化增益曲线图。图中给出了有无滤波特性的增益曲线对比图，在工作频段内具有稳定的增益，约7.5dbi以上。由两条增益曲线可以看出，加入u型槽和c型微带枝节后在通带两边引入两个辐射零点(辐射零点的频率分别为1ghz和2.15ghz)，实现了一个带通滤波天线。
62.如图7所示，是本发明仅有液体dr或仅有倒l型金属条的轴比曲线图。由图中可以看出，四根倒l型金属条在2ghz引入一个圆极化，而液体介质谐振器天线在低频产生新的圆极化。
63.如图8所示，是本发明的轴比曲线图和辐射效率曲线图。由图中可以看出，混合天线低于3db的轴比带宽拓展到38.8％。在工作带宽内，天线辐射在80％以上，且在两个零点处的天线辐射效率低于25％。
64.如图9、10、11所示，是本发明在1.5ghz、1.7ghz和2ghz的归一化辐射方向图。由图中可知，天线在xoz面和yoz面都具有稳定的辐射特性，且交叉极化均小于-20db。
65.综上所述，本发明实现了一种宽带圆极化滤波混合天线。|s
11
|低于-10db的带宽为40％，低于3db的轴比带宽为38.8％，且具有良好的辐射特性。在工作频段内，增益稳定在
7.5dbi以上，天线的辐射效率在80％以上。该设计通过将介质液体天线和金属天线结合的方式，有效拓宽了圆极化轴比带宽，并且在不需要加载任何外部电路的情况下实现了良好的带通滤波功能。这种新型混合天线在无线通信领域具有巨大的发展前景。