宽频透波滤波低频辐射单元、共口径天线阵列及通信设备

本发明涉及一种宽频透波滤波低频辐射单元、共口径天线阵列及通信设备，属于移动通信。

背景技术：

1、随着5g移动通信系统的大规模商用，不同频段阵列天线共享一个反射面构成共口径天线。为减少天线的表面积，高频天线辐射单元往往布置于低频辐射单元四周，两者物理间距越近，干扰越严重。高低频天线辐射单元之间的干扰分为两类，一类是两者的辐射干扰，即高频天线辐射的电磁波照射至低频辐射单元后，会在低频辐射单元产生电磁感应，从而激发电磁波辐射，使得高频天线阵列的 方向图受到两个电磁波的叠加照成方向图畸形。这类干扰通常通过对低频辐射单元进行透波化得以改善高频方向图的畸形问题；另一自身辐射干扰，即低频辐射单元除了在自身工作频带内激发电磁波外，由于倍频的存在，在自身工作的两倍频或三倍频的频带范围内仍然有电磁波激励，这类干扰通常通过额外的滤波电路来实现，目前，通过辐射面集成透波/滤波的功能还未实现。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种宽频透波滤波低频辐射单元、共口径天线阵列及通信设备，其可以改善多频段天线方向图的畸形，提高天线增益、带外抑制及其交叉极化比等指标。

2、本发明的第一个目的在于提供一种宽频透波滤波低频辐射单元。

3、本发明的第二个目的在于提供一种共口径天线阵列。

4、本发明的第三个目的在于提供一种移动通信设备。

5、本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

6、一种宽频透波滤波低频辐射单元，包括辐射结构和馈电结构，所述辐射结构和馈电结构采用耦合馈电的方式，使得辐射结构向外辐射低频电磁波信号，所述辐射结构包括辐射体，所述辐射体上加载有多层表面周期结构；

7、当辐射结构工作于第一模式时，高频辐射单元激发的电磁波照射到辐射结构上，辐射结构上的辐射体和多层表面周期结构共同构成具有k个谐振点和k个零点的非谐振节点空间带通滤波电路，其中k≥1；

8、当辐射部分工作于第二模式时，低频电磁波通过馈电结构激励辐射结构，多层表面周期结构的单元被辐射体以并行方式激励，形成等效滤波电路。

9、进一步的，所述辐射体包括四个辐射臂，四个辐射臂设置在基板上，四个辐射臂分别为第一辐射臂、第二辐射臂、第三辐射臂和第四辐射臂，所述第一辐射臂和第三辐射臂组成低频辐射单元的+45°极化，所述第二辐射臂和第四辐射臂组成低频辐射单元的-45°极化。

10、进一步的，每个辐射臂包括若干个透波/滤波单元和一个馈电块，每个透波/滤波单元包括两条金属直边、第一u型开路单元和第二u型开路单元，所述馈电块与馈电结构连接；

11、两条金属直边分别设置在基板的顶层和底层，且两条金属直边之间通过金属通孔连接，若干个透波/滤波单元的金属直边、馈电块依次连接构成一环状多边形；

12、所述第一u型开路单元和第二u型开路单元位于金属直边的一侧或两侧，通过控制第一u型开路单元和第二u型开路单元的谐振频率以实现双频或宽频透波。

13、进一步的，所述第一u型开路单元和第二u型开路单元位于金属直边的一侧时，所述第一u型开路单元设置在基板的顶层，所述第二u型开路单元设置在基板的底层，或所述第一u型开路单元设置在基板的底层，所述第二u型开路单元设置在基板的顶层。

14、进一步的，所述第一u型开路单元和第二u型开路单元位于金属直边的两侧时，所述第一u型开路单元设置在基板的顶层，所述第二u型开路单元设置在基板的底层，或所述第一u型开路单元设置在基板的底层，所述第二u型开路单元设置在基板的顶层，或所述第一u型开路单元和第二u型开路单元共同设置在基板的顶层，或所述第一u型开路单元和第二u型开路单元共同设置在基板的底层。

15、进一步的，所述金属直边的宽度为1.5mm-2mm。

16、进一步的，所述第一u型开路单元和第二u型开路单元的总长度为对应透波频段工作波长的二分之一，线宽度为1-2mm，u型开口宽度为2-5mm，第一u型开路单元和第二u型开路单元与金属直边的距离分别为对应频段波长的0.01-0.03倍。

17、进一步的，所述第一u型开路单元和第二u型开路单元中的一个u型开路单元展开为等效谐振电路的形状。

18、进一步的，所述等效谐振电路的形状为直线，展开为直线的u型开路单元位于金属直边的内侧，或位于金属直边的外侧。

19、进一步的，所述等效谐振电路的形状为直线，展开为直线的u型开路单元位于另一个u型开路单元的同侧，或展开直线的u型开路单元和另一个u型开路单元位于金属直边的两侧。

20、进一步的，展开为直线的u型开路单元和另一个u型开路单元位于金属直边的两侧时，展开为直线的u型开路单元设置在基板的顶层，另一个u型开路单元设置在基板的底层，或展开为直线的u型开路单元设置在基板的底层，另一个u型开路单元设置在基板的顶层。

21、进一步的，所述馈电块正对一个透波/滤波单元；

22、所述第一辐射臂和第三辐射臂中，馈电块与正对的透波/滤波单元之间的连线长度为低频辐射单元工作中心频率对应波长的0.44~0.5倍；

23、所述第二辐射臂和第四辐射臂中，馈电块与正对的透波/滤波单元之间的连线长度为低频辐射单元工作中心频率对应波长的0.22~0.25倍。

24、本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：

25、一种共口径天线阵列，包括第一天线、第二天线和反射板，所述第一天线为上述的宽频透波滤波低频辐射单元，所述第二天线为高频辐射阵列，所述宽频透波滤波低频辐射单元和高频辐射阵列分布在反射板上，且宽频透波滤波低频辐射单元置于高频辐射阵列中。

26、进一步的，所述共口径天线阵列拓展为多层结构，每层加载有谐振结构，组成多频谐振电路，实现多频透波/滤波特性。

27、本发明的第三个目的可以通过采取如下技术方案达到：

28、一种移动通信设备，包括上述的宽频透波滤波低频辐射单元，或包括上述的卫星通信滤波共口径天线阵列。

29、本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

30、本发明的宽频透波滤波低频辐射单元结构简单，在保持良好的透波性能的前提下集成了滤波功能，具有重要的研究意义和广泛的应用前景；此外，通过在低频辐射单元的辐射体上设计透波/滤波单元，能有效在改善高频辐射阵列的辐射方向图的同时，展宽了低频辐射单元的驻波带宽。

技术特征：

1.一种宽频透波/滤波低频辐射单元，其特征在于，包括辐射结构和馈电结构，所述辐射结构和馈电结构采用耦合馈电的方式，使得辐射结构向外辐射低频电磁波信号，所述辐射结构包括辐射体，所述辐射体上加载有多层表面周期结构；

2.根据权利要求1所述的宽频透波/滤波低频辐射单元，其特征在于，所述辐射体包括四个辐射臂，四个辐射臂设置在基板上，四个辐射臂分别为第一辐射臂、第二辐射臂、第三辐射臂和第四辐射臂，所述第一辐射臂和第三辐射臂组成低频辐射单元的+45°极化，所述第二辐射臂和第四辐射臂组成低频辐射单元的-45°极化。

3.根据权利要求2所述的宽频透波/滤波低频辐射单元，其特征在于，每个辐射臂包括若干个透波/滤波单元和一个馈电块，每个透波/滤波单元包括两条金属直边、第一u型开路单元和第二u型开路单元，所述馈电块与馈电结构连接；

4.根据权利要求3所述的宽频透波/滤波低频辐射单元，其特征在于，所述第一u型开路单元和第二u型开路单元位于金属直边的一侧时，所述第一u型开路单元设置在基板的顶层，所述第二u型开路单元设置在基板的底层，或所述第一u型开路单元设置在基板的底层，所述第二u型开路单元设置在基板的顶层。

5.根据权利要求3所述的宽频透波/滤波低频辐射单元，其特征在于，所述第一u型开路单元和第二u型开路单元位于金属直边的两侧时，所述第一u型开路单元设置在基板的顶层，所述第二u型开路单元设置在基板的底层，或所述第一u型开路单元设置在基板的底层，所述第二u型开路单元设置在基板的顶层，或所述第一u型开路单元和第二u型开路单元共同设置在基板的顶层，或所述第一u型开路单元和第二u型开路单元共同设置在基板的底层。

6.根据权利要求3-5任一项所述的宽频透波/滤波低频辐射单元，其特征在于，所述金属直边的宽度为1.5mm-2mm。

7.根据权利要求3-5任一项所述的宽频透波/滤波低频辐射单元，其特征在于，所述第一u型开路单元和第二u型开路单元的总长度为对应透波频段工作波长的二分之一，线宽度为1-2mm，u型开口宽度为2-5mm，第一u型开路单元和第二u型开路单元与金属直边的距离分别为对应频段波长的0.01-0.03倍。

8.根据权利要求3所述的宽频透波/滤波低频辐射单元，其特征在于，所述第一u型开路单元和第二u型开路单元中的一个u型开路单元展开为等效谐振电路的形状。

9.根据权利要求8所述的宽频透波/滤波低频辐射单元，其特征在于，所述等效谐振电路的形状为直线，展开为直线的u型开路单元位于金属直边的内侧，或位于金属直边的外侧。

10.根据权利要求8所述的宽频透波/滤波低频辐射单元，其特征在于，所述等效谐振电路的形状为直线，展开为直线的u型开路单元位于另一个u型开路单元的同侧，或展开直线的u型开路单元和另一个u型开路单元位于金属直边的两侧。

11.根据权利要求10所述的宽频透波/滤波低频辐射单元，其特征在于，展开为直线的u型开路单元和另一个u型开路单元位于金属直边的两侧时，展开为直线的u型开路单元设置在基板的顶层，另一个u型开路单元设置在基板的底层，或展开为直线的u型开路单元设置在基板的底层，另一个u型开路单元设置在基板的顶层。

12.根据权利要求3-5、8-11任一项所述的宽频透波/滤波低频辐射单元，其特征在于，所述馈电块正对一个透波/滤波单元；

13.一种共口径天线阵列，其特征在于，包括第一天线、第二天线和反射板，所述第一天线为权利要求1-12任一项所述的宽频透波/滤波低频辐射单元，所述第二天线为高频辐射阵列，所述宽频透波/滤波低频辐射单元和高频辐射阵列分布在反射板上，且宽频透波/滤波低频辐射单元置于高频辐射阵列中。

14.根据权利要求13所述的共口径天线阵列，其特征在于，所述共口径天线阵列拓展为多层结构，每层加载有谐振结构，组成多频谐振电路，实现多频透波/滤波特性。

15.一种移动通信设备，其特征在于，包括权利要求13-14任一项所述的共口径天线阵列。

技术总结
本发明公开了一种宽频透波滤波低频辐射单元、共口径天线阵列及通信设备，所述辐射单元包括辐射结构和馈电结构，辐射结构和馈电结构采用耦合馈电的方式，使得辐射结构向外辐射低频电磁波信号，辐射结构包括辐射体，辐射体上加载有多层表面周期结构；当辐射结构工作于第一模式时，高频辐射单元激发的电磁波照射到辐射结构上，辐射体和多层表面周期结构共同构成具有K个谐振点和K个零点的非谐振节点空间带通滤波电路；当辐射部分工作于第二模式时，低频电磁波通过馈电结构激励辐射结构，多层表面周期结构的单元被辐射体以并行方式激励，形成等效滤波电路。本发明可以改善多频段天线方向图的畸形，提高天线增益、带外抑制及其交叉极化比等指标。

技术研发人员：章秀银,王宇,苏华峰,刘培涛,陈礼涛,戴荣超
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16