一种基于介质谐振器的滤波天线阵列

1.本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种基于介质谐振器的滤波天线阵列。


背景技术：

2.目前，现代无线通信系统正朝着小型化、集成化、多功能的方向发展。因此，对天线和带通滤波器等微波器件进行集成设计具有重要意义，它可以消除两者之间的过渡，比传统的分立设计具有更紧凑的尺寸、更低的插入损耗和更好的整体性能。另一方面，长距离点对点通信需要高增益、指向性、窄波束的天线阵列。因此，除滤波天线单元外，滤波阵列近年来也受到越来越多的关注。
3.目前滤波阵列的实现方法大致分为三种：第一种是在馈电网络中集成滤波功能，即滤波馈电网络激励传统的辐射单元；第二种是在辐射单元中引入滤波功能，即传统的滤波网络激励有滤波效果的辐射单元；第三种是滤波融合设计，这种设计不需要额外的滤波电路/元件，从天线阵列整体考虑，引入简单的寄生结构或谐振结构实现阵列的滤波功能。
4.目前滤波天线阵列的研究主要集中在贴片天线领域，对现有技术进行分析，具体如下：在文章“an integrated filtering antenna array with high selectivity and harmonics suppression”中，作者采用上述第一种方法设计的滤波贴片天线阵列采用滤波馈电网络激励4个贴片单元，实现了良好的滤波效果，但由于滤波馈电网络的复杂性，该天线的增益比非滤波的天线阵列更低，并且复杂的馈电结构导致阵列的可拓展性较差。关于第二种方法，在文章“dual-band base station array using filtering antenna elements for mutual coupling suppression”中，通过在辐射单元上引入滤波功能实现了整个阵列的频率选择性，阵列的结构也比较简单。但由于馈电网络没有滤波效果，所以整个阵列的滤波性能较差。最近，在文章“compact single-and dual-band filtering patch antenna arrays using novel feeding scheme”和“compact filtering patch antenna arrays for marine communications”中作者利用馈线或单元拓扑的固有特性通过融合集成滤波功能的方法实现了滤波贴片阵列。这种设计可以归纳为上述的第三种方法，无需使用复杂的滤波电路就可以获得良好的滤波响应，因此可以使结构、增益和效率几乎与传统的非滤波阵列相同。然而，两个贴片阵列的带宽都非常有限，约为5％。
5.介质谐振器天线(dra)作为一种由介质材料组成的三维天线，相对于贴片天线来说，具有宽带宽、损耗低、效率高、灵活性强等优点，可以解决贴片阵列带宽窄的局限。近年来，人们提出了一些具有良好辐射和滤波性能的滤波介质谐振器天线。然而，它们都是基于单元的设计，一般具有大约6dbi的低增益。到目前为止，还没有滤波介质谐振器天线阵列的研究。
6.总的来说，上述提到的基于前两种方法实现的天线阵列有着各自的优缺点，但第三种融合设计的方法可以综合两种方法的优势；另一方面，介质谐振器天线在天线阵列研究领域具有结构灵活、宽带、低损耗的自身优势，因此针对目前的研究现状来看，采用融合滤波的思路设计一款基于介质谐振器的滤波天线阵列具有重要意义。


技术实现要素：

7.为了实现上述研究目标，本发明的目的是提供一种基于介质谐振器的滤波天线阵列，该天线结构简单，具有良好的滤波效果，并且单元数量可以拓展。
8.本发明的技术方案至少通过如下技术方案之一实现。
9.一种基于介质谐振器的滤波天线阵列，由下至上包括介质基板和金属接地面；
10.介质基板下表面安装有馈电机构；
11.金属接地面中设置有缝隙；
12.金属接地面上表面安装有排成一列的第一辐射单元、第二辐射单元以及第三辐射单元；
13.第一辐射单元和第二辐射单元之间通过第一介质桥连接，第二辐射单元和第三辐射单元之间通过第二介质桥连接；
14.第一介质桥和第二介质桥的下表面贴于金属接地面的上表面。
15.滤波天线阵列通过金属接地面中的缝隙进行孔径耦合激励第二辐射单元，然后第二辐射单元通过放置在第二介质谐振器两侧的第一介质桥和第二介质桥对第一辐射单元和第三辐射单元进行馈电，这样整个滤波天线阵列被有效激发，并且通过设置介质桥的合适长度三个辐射单元可以实现同相激励。
16.进一步地，馈电机构包括一个阶梯状金属微带线，放置在第一辐射单元、第二辐射单元以及第三辐射单元和第一介质桥以及第二介质桥的正下方，阶梯状的设计用于实现天线阵列更好的阻抗匹配。
17.进一步地，第一辐射单元包括第一介质谐振器；
18.第二辐射单元包括第二介质谐振器以及第一金属寄生条和第二金属寄生条；
19.第三辐射单元包括第三介质谐振器；
20.第一介质桥包括第四介质谐振器和第一金属贴片。
21.进一步地，第二介质桥包括第五介质谐振器和第二金属贴片；
22.第四介质谐振器和第五介质谐振器的下表面贴于金属接地面的上表面，上表面分别设置有第一金属贴片和第二金属贴片。
23.进一步地，第一金属寄生条和第二金属寄生条分别设置于第二辐射单元相对于第一辐射单元和第三辐射单元的侧面表面中心；
24.第一金属寄生条连接第一金属贴片，第二金属寄生条连接第二金属贴片。
25.第一金属寄生条和第二金属寄生条以及介质桥上第一金属贴片和第二金属贴片对辐射单元的不同加载效果使得阵列在通带内产生了三个谐振，在辐射单元中均表现为te
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模式。
26.第一金属寄生条和第二金属寄生条的谐振使得该滤波天线阵列在通带左侧引入了一个辐射零点，而通带右边的零点则是利用微带馈电的半波长特性获得。
27.进一步地，缝隙为长方形缝隙，缝隙的作用是将能量从馈电结构耦合到第一辐射单元、第二辐射单元以及第三辐射单元；
28.缝隙的位置在第二介质谐振器的底面的下方。
29.进一步地，第一介质谐振器、第二介质谐振器以及第三介质谐振器大小相同。
30.进一步地，第四介质谐振器和第五介质谐振器大小相同。
31.进一步地，第一介质谐振器、第二介质谐振器、第三介质谐振器、第四介质谐振器和第五介质谐振器的介电常数和宽度均相同。
32.进一步地，第一金属贴片和第二金属贴片的尺寸正好覆盖第四介质谐振器和第五介质谐振器的上表面，这种结构适用于辐射单元间的能量传输。
33.相比于现有技术，本发明的有益效果是：
34.本发明在中间辐射单元的介质谐振器侧面中心位置安装金属寄生条，由金属寄生条的谐振以及馈电单元的阶梯状金属微带线的半波长特性获得了阵列的两个辐射零点，从而实现了整个阵列的滤波功能。同时，由于介质桥上金属贴片以及金属寄生条的加载作用，阵列获得了较宽的带宽和稳定的增益，这种实现滤波的方法不需要添加额外的滤波电路或滤波元件，不会增加阵列的复杂度，结构简单，易于实现和拓展。另外，天线阵列辐射性能和滤波效果良好，所述天线阵列拥有13.7％的带宽和11.4dbi的带内平均增益，辐射方向图在整个通带内相当稳定。同时，滤波天线阵列获得了较好的滚降度，上、下阻带的带外抑制水平均超过22db。
附图说明
35.图1为本发明实施例中基于介质谐振器的滤波天线阵列示意图；
36.图2为图1的基于介质谐振器的滤波天线阵列的俯视图；
37.图3为本发明实施例的反射系数的仿真图；
38.图4为本发明实施例的实际增益的仿真图；
39.图5为本发明实施例在谐振点5.3ghz处的电场仿真分布图；
40.图6为本发明实施例在谐振点5.55ghz处的电场仿真分布图；
41.图7为本发明实施例在谐振点5.9ghz处的电场仿真分布图；
42.图8为本发明实施例与单个介质谐振器天线、金属寄生条加载的介质谐振器天线和介质桥上金属贴片加载的介质谐振器天线的反射系数仿真对比图；
43.图9为本发明实施例在辐射零点4.75ghz处的电场仿真分布图；
44.图10为本发明实施例在辐射零点6.76ghz处的电场仿真分布图；
45.图11为本发明实施例在不同阶梯状金属微带线加载下的实际增益的仿真对比图；
46.图12为本发明实施例在不同金属寄生条加载下的实际增益的仿真对比图；
47.图13为本发明实施例1在各个谐振点处的辐射方向图，其中图13a至13c依次为5.3ghz、5.55ghz、5.9ghz处的辐射方向图。
具体实施方式
48.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
49.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
50.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
51.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
52.下面对本发明的具体实施例结合附图做进一步说明。
53.实施例1：
54.本实施例中，一种基于介质谐振器的滤波天线阵列，如图1和图2所示，由下至上包括介质基板1和金属接地面3；
55.介质基板1下表面安装有馈电机构2；
56.金属接地面3中设置有缝隙4；
57.金属接地面3上表面安装有排成一列的第一辐射单元、第二辐射单元以及第三辐射单元；
58.第一辐射单元和第二辐射单元之间通过第一介质桥连接，第二辐射单元和第三辐射单元之间通过第二介质桥连接；
59.第一介质桥和第二介质桥的下表面贴于金属接地面3的上表面。
60.滤波天线阵列通过金属接地面3中的缝隙4进行孔径耦合激励第二辐射单元，然后第二辐射单元通过放置在第二介质谐振器72两侧的第一介质桥和第二介质桥对第一辐射单元和第三辐射单元进行馈电，这样整个滤波天线阵列被有效激发，并且通过设置介质桥的合适长度三个辐射单元可以实现同相激励。
61.进一步地，馈电机构2包括一个阶梯状金属微带线，放置在第一辐射单元、第二辐射单元以及第三辐射单元和第一介质桥以及第二介质桥的正下方，阶梯状的设计用于实现天线阵列更好的阻抗匹配。
62.进一步地，第一辐射单元包括第一介质谐振器71；
63.第二辐射单元包括第二介质谐振器72以及第一金属寄生条61和第二金属寄生条62；
64.第三辐射单元包括第三介质谐振器73；
65.第一介质桥包括第四介质谐振器51和第一金属贴片81；
66.第二介质桥包括第五介质谐振器52和第二金属贴片82；
67.第四介质谐振器51和第五介质谐振器52的下表面贴于金属接地面3的上表面，上表面分别设置有第一金属贴片81和第二金属贴片82；
68.第一金属寄生条61和第二金属寄生条62分别设置于第二辐射单元72相对于第一辐射单元71和第三辐射单元73的侧面表面中心；
69.第一金属寄生条61连接第一金属贴片81，第二金属寄生条62连接第二金属贴片82。
70.第一金属寄生条61和第二金属寄生条62以及介质桥上第一金属贴片81和第二金属贴片82对辐射单元的不同加载效果使得阵列在通带内产生了三个谐振，在辐射单元中均
表现为te
113
模式。
71.第一金属寄生条61和第二金属寄生条62的谐振使得该滤波天线阵列在通带左侧引入了一个辐射零点，而通带右边的零点则是利用微带馈电的半波长特性获得。
72.进一步地，缝隙4为长方形缝隙，缝隙4的作用是将能量从馈电结构2耦合到第一辐射单元、第二辐射单元以及第三辐射单元；
73.缝隙4的位置在第二介质谐振器72的底面的下方。
74.进一步地，第一介质谐振器71、第二介质谐振器72以及第三介质谐振器73大小相同。
75.进一步地，第四介质谐振器51和第五介质谐振器52大小相同。
76.进一步地，第一介质谐振器71、第二介质谐振器72、第三介质谐振器73、第四介质谐振器51和第五介质谐振器52的介电常数和宽度均相同。
77.进一步地，第一金属贴片81和第二金属贴片82的尺寸正好覆盖第四介质谐振器51和第五介质谐振器52的上表面，这种结构适用于辐射单元间的能量传输。
78.本实施例基于2019年a.a.althuwayb在文章“3-d-printed dielectric resonator antenna arrays based on standing-wave feeding approach”中提出的无滤波介质谐振器天线阵列。
79.在本实施例中，为了集成阵列的滤波功能，通过设计阶梯状金属微带线的长度为半波长，在工作通带的上边缘提供一个辐射零点，而在中间介质谐振器的侧壁上引入一对金属寄生条，由于金属寄生条的长度设置为半波长导致谐振，强电流集中在金属寄生条上，此时三个辐射单元内部的电场强度都较弱，表明整个阵列没有有效激发，于是在通带下边缘产生另一个辐射零点。又由于金属寄生条和介质桥上金属贴片对介质谐振器的加载效应，阵列在通带内产生了三个工作在te
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模式的谐振点，以此获得较宽的通带带宽。
80.所述金属寄生条，一方面其谐振可以在工作通带的下频带引入一个辐射零点，另一方面金属寄生条对辐射单元的加载作用可以引入新的工作在te
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模式的谐振。
81.所述金属贴片，其对辐射单元的加载作用可以引入另一个新的工作在te
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模式的谐振。
82.以下结合图1-图13对上述基于介质谐振器的滤波天线阵列的结构及性能进行详细的解释。
83.本实施例中，参照图1和图2，介质基板1的相对介电常数为3.38，高度为0.508mm，尺寸大小为90mm
×
60mm。馈电结构2为阶梯状金属微带线，由尺寸为57mm
×
1.2mm的微带线和中央尺寸为4mm
×
2mm的金属片构成，这种阶梯状的结构可以实现更好的阻抗匹配。金属接地面3的尺寸与介质基板1相同，其上有一个长方形型的缝隙4，尺寸为12mm
×
0.5mm；第一介质谐振器71、第二介质谐振器72以及第三介质谐振器73为相对介电常数为10的长方体介质谐振器，尺寸均为9.5mm
×
8.5mm
×
36mm；第四介质谐振器51和第五介质谐振器52同样为相对介电常数为10的长方体介质谐振器，尺寸均为14mm
×
8.5mm
×
4mm，辐射单元通过介质桥连接在一起；第一金属寄生条61和第二金属寄生条62的尺寸一样，都是8.5mm
×
2.5mm。
84.图3为本发明实施例的反射系数的仿真图，所述的基于介质谐振器的滤波天线阵列分别在5.3ghz、5.55ghz、5.9ghz处谐振，工作带宽为5.24ghz-6.01ghz，绝对带宽为0.77ghz，相对带宽为13.7％。
85.图4本发明实施例的实际增益的仿真图，所述的基于介质谐振器的滤波天线阵列在4.75ghz和6.76ghz分别产生两个辐射零点，表现出准椭圆带通滤波响应。同时，通带内增益在10.6dbi到12.0dbi之间略有波动，带内平均增益约为11.4dbi。
86.实施例2：
87.本实施例中，图5、图6和图7分别为第一介质谐振器71、第二介质谐振器72、第三介质谐振器73、第四介质谐振器51和第五介质谐振器52在谐振点5.3ghz、5.55ghz、5.9ghz处的电场仿真分布图，可以观察到，在这些频率的场分布是类似的，三个辐射单元显示了一个典型的te
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模式，其中电场在第二介质谐振器72的分布有点变形，这是由于第一金属寄生条61和第二金属寄生条62的干扰作用。整体结果表明，在三个谐振频率下都激发出了三个辐射单元的高阶te
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模。这种现象似乎与一个谐振模式对应一个谐振频率的常识相矛盾。这是因为在本发明中，第一金属贴片81和第二金属贴片82与第一金属寄生条61和第二金属寄生条62会对第一介质谐振器71、第二介质谐振器72和第三介质谐振器73产生加载效应，通常会使原本的谐振频率发生偏移。此外，两者的加载效果不同，因此频率偏移的程度也会不同。因此，对于一个单一的模式，有三种不同的谐振点是合理的。
88.为了进一步证明这一点，图8给出了本发明实施例与单个介质谐振器天线、金属寄生条加载的介质谐振器天线和介质桥上金属贴片加载的介质谐振器天线的反射系数仿真对比图。可以看出，单个介质谐振器天线在通带内只有一个谐振模式。当引入第一金属寄生条61和第二金属寄生条62或由第一金属贴片81和第二金属贴片82加载的介质桥时，就会形成新的谐振，验证了上述结论。
89.实施例3：
90.本实施例中，图9-图12研究了该阵列在辐射零点处的电场仿真分布图和可控性。图9表明在4.75ghz处三个辐射单元内部的电场强度相当弱，表明整个阵列没有被有效激发。这里值得注意的是，在第二介质谐振器72底部的区域有不可忽略的电场。这主要是由于第一金属寄生条61和第二金属寄生条62上的强电流的影响，而不是第二介质谐振器72的谐振，这个频点的电场强度远远小于谐振点处的电场强度。图10表示6.76ghz的辐射零点，可以观察到很弱的电场分布，其原因和4.75ghz处的零点是不同的。由于半波长的阶梯状金属微带线2，长方形缝隙4处的电流强度接近于零。因此，没有能量可以耦合到辐射单元，导致在这个频率上的辐射为零。图11和图12进一步说明了两个辐射零点的可控性：上下两个辐射零点可以分别通过调节馈电结构2中的阶梯状金属微带线的长度以及第一金属寄生条61和第二金属寄生条62的长度分别控制。
91.图13为本发明实施例在各个谐振点处的辐射方向图，其中图13a、图13b、13c依次为5.3ghz、5.55ghz、5.9ghz处的辐射方向图。观测到在整个通带内的辐射方向图都是稳定的。在最大辐射的天顶方向，交叉极化场比主极化场弱30db以上，前后比约20db。
92.综上所述，本实施例所述的基于介质谐振器的滤波天线阵列相对于现有的工作，至少具有如下有益效果：
93.(1)阵列通过在中间介质谐振器的两侧加上金属寄生条结构以及利用半波长金属微带线的性质实现阵列的滤波功能，结构简单，不需要添加额外的滤波电路或滤波元件，不会增加阵列的复杂度。
94.(2)辐射性能和滤波效果良好，所述天线阵列拥有13.7％的带宽和11.4dbi的带内
平均增益，辐射方向图在整个通带内相当稳定。同时，滤波天线阵列获得了较好的滚降度，上、下阻带的带外抑制水平均超过22db。
95.(3)相较于之前基于金属贴片的工作，所述基于介质谐振器的滤波天线阵列具有宽带宽和低损耗的优势。
96.上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。