一种频率可重构滤波天线设计方法与流程

1.本发明涉及天线设计技术领域，尤其是一种频率可重构滤波天线设计方法。


背景技术：

2.随着无线通信的飞速发展，频谱资源日益匮乏，频段之间变得越来越拥挤，然而人们意识到现如今的频谱使用方式并没用完全充分利用现有的频谱资源。认识无线电是现在比较认可的一种可以充分利用频谱资源的一种方式，它是通过自主学习和感知相应的频段，并且能够将要进行的通信频段分配到未被占用的频段上。同时由于现代天线的集成度越来越高，频段之间的相互干扰变的越来越严重，滤波天线由于其良好的带外抑制能力，吸引了很多学者的注意力与研究。此外，一个频率可变的滤波天线对比于普通滤波具有更好的应用场景，也更加适用未来的认识无线电系统。
3.目前的频率可重构滤波天线大都是频率可变的带通滤波器与宽带天线的结合，这样的结构有两个缺点：第一个缺点是频率可变带通滤波器往往是由pin二极管以及变容二极管构成，这些器件都需要外加的偏置电路，这就违背了天线简单化以及小型化的趋势；第二个缺点是天线增益降低，因为滤波器都是带有损耗的，而增益是滤波天线的一项重要参数。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种结构简单、滤波特性良好、带内增益较高的频率可重构滤波天线设计方法。
5.为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种频率可重构滤波天线设计方法，该方法包括下列顺序的步骤：
6.(1)建立微带滤波天线模型，对微带滤波天线进行模式分析，得出微带滤波天线的模式曲线特点；所述微带滤波天线模型由矩形辐射贴片、第一介质板和金属地板组成，矩形辐射贴片印刷在第一介质板的上板面，金属地板印刷在第一介质板的下板面；
7.(2)在微带滤波天线上设置寄生贴片；
8.(3)对带有寄生贴片的微带滤波天线进行特征模分析，分析所有的模式，对于不符合微带滤波天线的模式根据其模式电流对天线的结构进行修改；
9.(4)分析所有模式电流的分布特点，增加激励结构，最后对天线结构进行仿真优化。
10.所述步骤(1)具体包括以下步骤：
11.(1a)首先在cst微波工作室中，建立微带滤波天线模型，进行模式分析；
12.(1b)启动cst的网格剖分功能，对微带滤波天线进行网格划分，然后启动求解器，cst依据网格划分结果对下列公式进行求解：
13.14.其中，[x]和[r]分别是阻抗矩阵的虚部和实部，λn表示为第n个特征向量的特征值；当λn等于零时，表示结构具有最大的辐射能量，即处于谐振；
[0015]
模态显著性ms的计算公式如下：
[0016][0017]
其中，j为虚数单位，ms的值域为0到1，ms的值为1时表示此时的辐射能力最强；当ms值等于0.707时，辐射功率为之前的一半，辐射带宽bw定义为ms值大于0.707的频率范围；
[0018]
(1c)提取微带滤波天线的ms的值，并绘制ms关于频率的曲线图，即微带滤波天线的模式分布曲线；观察ms曲线，得出模式分析结果。
[0019]
所述步骤(2)是指：在矩形辐射贴片的上方设置与其长宽比大致相同的寄生贴片，寄生贴片印刷在第二介质板的板面上，寄生贴片与第二介质板的尺寸大小一致，第二介质板的板面与第一介质板的板面平行，第二介质板与第一介质板之间设置连接件。
[0020]
所述步骤(3)具体包括以下步骤：
[0021]
(3a)对带有寄生贴片的微带滤波天线进行模式分析，得到ms曲线关于频率的变化的曲线，记录各个模式在ms值等于1时的频率值，并将这些值设置为cst计算电流图的监视点，启动cst计算电流分布；
[0022]
(3b)提取并绘制出带有寄生贴片的微带滤波天线各个模式的电流图，观察得到的电流图的电流流向；当某个模式的矩形辐射贴片的整体电流流向与寄生贴片电流流向相同时，判断该模式符合微带滤波天线的特点；反之，当某个模式的矩形辐射贴片的整体电流流向与寄生贴片电流流向相反时，判断该模式则不符合微带滤波天线的特点；
[0023]
(3c)分析带有寄生贴片的微带滤波天线的全部模式，对于不符合微带滤波天线特点的模式修改其天线结构，具体为：对于寄生贴片的电流流向平行于x轴的模式，在寄生贴片上蚀刻一个平行于y轴的缝隙，缝隙长度小于寄生贴片的长度；对于寄生贴片的电流流向平行于y轴的模式，在寄生贴片上蚀刻一个平行于x轴的缝隙。
[0024]
所述步骤(4)具体包括以下步骤：
[0025]
(4a)将带有缝隙的微带滤波天线进行模式分析并绘制出各个模式的电流分布，观察矩形辐射贴片的电流流向，对于电流流向平行于x轴的模式，使用一个平行于x轴含有1/4波长阻抗匹配的第一微带线进行激励；对于电流流向平行于y轴的模式，使用一个平行于y轴含有1/4波长阻抗匹配的第二微带线进行激励；
[0026]
(4b)将含有激励结构的微带滤波天线在高频结构仿真软件hfss中进行建模，并将所有结构变量参数化建模；启动hfss进行仿真优化，优化得到符合预期结果的天线尺寸。
[0027]
由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：第一，本发明使用特征模理论实现对辐射体在任意频域范围内潜在辐射能力的展示，便于找到所需要的模式并加以利用，对于不需要的模式可以根据其模式电流来改变其影响；第二，本发明使用特征模理论指导天线馈电的选择，减少在天线设计过程中的工作量；第三，本发明结构简单，带内增益较高，带外抑制能力明显。
附图说明
[0028]
图1(a)为微带天线结构图；
[0029]
图1(b)为微带天线模式分布示意图；
[0030]
图2(a)为模式一的电流示意图；
[0031]
图2(b)为模式二的电流示意图；
[0032]
图2(c)为模式一的远场方向图；
[0033]
图2(d)为模式二的远场方向图；
[0034]
图3(a)为增加过寄生贴片的天线侧视图；
[0035]
图3(b)为增加过寄生贴片的天线正视图；
[0036]
图3(c)为增加过寄生贴片的模式分布图；
[0037]
图4(a)为模式一下，寄生贴片、矩形辐射贴片的电流示意图；
[0038]
图4(b)为模式二下，寄生贴片、矩形辐射贴片的电流示意图；
[0039]
图4(c)为模式三下，寄生贴片、矩形辐射贴片的电流示意图；
[0040]
图4(d)为模式四下，寄生贴片、矩形辐射贴片的电流示意图；
[0041]
图5(a)为寄生贴片刻槽后的模型；
[0042]
图5(b)为寄生贴片刻槽后的模式分布曲线示意图；
[0043]
图6(a)为寄生贴片刻槽后模式一下，寄生贴片、矩形辐射贴片的电流示意图；
[0044]
图6(b)为寄生贴片刻槽后模式二下，寄生贴片、矩形辐射贴片的电流示意图；
[0045]
图6(c)为寄生贴片刻槽后模式三下，寄生贴片、矩形辐射贴片的电流示意图；
[0046]
图6(d)为寄生贴片刻槽后模式四下，寄生贴片、矩形辐射贴片的电流示意图；
[0047]
图7(a)为寄生贴片刻槽后模式一的远场方向图；
[0048]
图7(b)为寄生贴片刻槽后模式二的远场方向图；
[0049]
图7(c)为模式三的远场方向图；
[0050]
图7(d)为模式四的远场方向图；
[0051]
图8(a)为天线几何形状结构示意图；
[0052]
图8(b)为天线模式分布曲线示意图；
[0053]
图9(a)为第一端口激励时的mwc示意图；
[0054]
图9(b)为第二端口激励时的mwc示意图；
[0055]
图10(a)为第一端口的s参数仿真示意图；
[0056]
图10(b)为第二端口的s参数仿真示意图；
[0057]
图11(a)为第一端口作为激励时xoz方向图；
[0058]
图11(b)为第一端口作为激励时yoz方向图；
[0059]
图12(a)为第二端口作为激励时xoz方向图；
[0060]
图12(b)为第二端口作为激励时yoz方向图。
具体实施方式
[0061]
一种频率可重构滤波天线设计方法，该方法包括下列顺序的步骤：
[0062]
(1)建立微带滤波天线模型，对微带滤波天线进行模式分析，得出微带滤波天线的模式曲线特点；所述微带滤波天线模型由矩形辐射贴片1、第一介质板2和金属地板3组成，
第一介质板2的型号为fr-4，矩形辐射贴片1印刷在第一介质板2的上板面，金属地板3印刷在第一介质板2的下板面；
[0063]
(2)在微带滤波天线上设置寄生贴片4；
[0064]
(3)对带有寄生贴片4的微带滤波天线进行特征模分析，分析所有的模式，对于不符合微带滤波天线的模式根据其模式电流对天线的结构进行修改；
[0065]
(4)分析所有模式电流的分布特点，增加激励结构，最后对天线结构进行仿真优化。
[0066]
所述步骤(1)具体包括以下步骤：
[0067]
(1a)首先在cst微波工作室中，建立微带滤波天线模型，如图1(a)所示，进行模式分析；所述cst为三维电磁场仿真软件。
[0068]
(1b)启动cst的网格剖分功能，对微带滤波天线进行网格划分，然后启动求解器，cst依据网格划分结果对下列公式进行求解：
[0069][0070]
其中，[x]和[r]分别是阻抗矩阵的虚部和实部，λn表示为第n个特征向量的特征值；当λn等于零时，表示结构具有最大的辐射能量，即处于谐振；
[0071]
模态显著性ms的计算公式如下：
[0072][0073]
其中，j为虚数单位，ms的值域为0到1，ms的值为1时表示此时的辐射能力最强；当ms值等于0.707时，辐射功率为之前的一半，辐射带宽bw定义为ms值大于0.707的频率范围；
[0074]
(1c)提取微带滤波天线的ms的值，并绘制ms关于频率的曲线图，即微带滤波天线的模式分布曲线，如图1(b)所示；观察ms曲线，得出微带滤波天线在其辐射带宽bw范围内的曲线十分尖锐的特点；此外如图2(a)、图2(b)所示，模式一与模式二的电流流向分别平行于矩形辐射贴片1的长边与短边，此外如图2(c)与图2(d)所示，模式一与模式二的最大增益都在6.5dbi左右。
[0075]
所述步骤(2)是指：在矩形辐射贴片1的上方设置与其长宽比大致相同的寄生贴片4，寄生贴片4印刷在第二介质板5的板面上，第二介质板4的型号为罗杰斯4003，寄生贴片4与第二介质板5的尺寸大小一致，第二介质板5的板面与第一介质板2的板面平行，第二介质板5与第一介质板2之间设置连接件，，如图3(a)与图3(b)所示，所述连接件采用泡沫6，泡沫6的两端面粘贴双面胶，一面粘贴在第一介质板2上，另一面粘贴在第二介质板5上。
[0076]
所述步骤(3)具体包括以下步骤：
[0077]
(3a)对带有寄生贴片4的微带滤波天线进行模式分析，得到ms曲线关于频率的变化的曲线，如图3(c)所示，由于增加了寄生贴片4以及第二介质板5，整个天线的模式由微带滤波天线的两种模式增加到了现在的四种模式，记录各个模式在ms值等于1时的频率值，并将这些值设置为cst计算电流图的监视点，启动cst计算电流分布；
[0078]
(3b)提取并绘制出带有寄生贴片4的微带滤波天线各个模式的电流图，观察得到的电流图的电流流向；当某个模式的矩形辐射贴片1的整体电流流向与寄生贴片4电流流向相同时，判断该模式符合微带滤波天线的特点；反之，当某个模式的矩形辐射贴片1的整体
电流流向与寄生贴片4电流流向相反时，判断该模式则不符合微带滤波天线的特点；如图4(a)与图4(b)所示，模式一与模式二上、下贴片电流流向相同，即寄生贴片4、矩形辐射贴片1的电流流向相同，满足滤波天线的特点，而从图4(c)与图4(d)来看，模式三与模式四上、下贴片电流流向相反，即寄生贴片4、矩形辐射贴片1的电流流向相反，则不满足滤波天线的特点。
[0079]
(3c)分析带有寄生贴片4的微带滤波天线的全部模式，对于不符合微带滤波天线特点的模式修改其天线结构，具体为：针对于模式三，对于寄生贴片4的电流流向平行于x轴的模式，在寄生贴片4上蚀刻一个平行于y轴的缝隙，缝隙长度小于寄生贴片4的长度；针对模式四，对于寄生贴片4的电流流向平行于y轴的模式，在寄生贴片4上蚀刻一个平行于x轴的缝隙，如图5(a)所示，平行于x轴的缝隙是为了抑制模式三反向电流带来的影响，而平行于y轴的缝隙则是为了抑制模式四的反向电流带来的影响；所述平行于y轴的缝隙和所述平行于x轴的缝隙共同形成一个十字缝隙7。
[0080]
所述步骤(4)具体包括以下步骤：
[0081]
(4a)将带有缝隙的微带滤波天线进行模式分析如图5(b)所示，可以看到每个模式都满足滤波天线的模式曲线特点，并绘制出各个模式的电流分布；如图6(a)与图6(c)所示，模式一与模式三的矩形辐射贴片1电流流向相同，而且平行于x轴，同时如图6(b)与图6(d)所示，模式二与模式四的矩形辐射贴片1电流流向相同，都是平行于y轴；对于增益，如图7(a)与图7(c)所示，模式一与模式三的最大增益大致相等，同时图7(b)与图7(d)可以得到，模式二与模式四的最大增益也大致相同；对于电流流向平行于x轴的模式，使用平行于x轴含有1/4波长阻抗匹配的第一微带线10进行激励；对于电流流向平行于y轴的模式，使用平行于y轴含有1/4波长阻抗匹配的第二微带线11进行激励；矩形辐射贴片1延伸出第一微带线10和第二微带线11，在金属地板3上设置第一端口8和第二端口9，第一端口8和第二端口9均采用同轴电缆，第一端口8与第一微带线10连接，第二端口9与第二微带线11连接。
[0082]
如图8(a)所示，平行于x轴的微带线可以激励模式一与模式三，平行于y轴的微带线可以激励起模式二与模式四；而此时的模式带宽如图8(b)，模式三与模式四在加入激励结构之后，辐射带宽bw都得到了增加；如图9(a)所示，当第一端口8作为激励时可以激励模式一与模式三，当第二端口9作为激励时，如图9(b)所示可以激励模式二与模式四。
[0083]
(4b)将含有激励结构的微带滤波天线在高频结构仿真软件hfss中进行建模，并将所有结构变量参数化建模；启动hfss进行仿真优化，优化得到符合预期结果的天线性能；如图10(a)和图10(b)所示，当第一端口8工作时，天线的工作频率为2.4-2.6ghz，当第二端口9工作时，天线覆盖的频段为2.4-2.6ghz；并且如图11(a)与11(b)所示，第一端口8工作时，天线具有全向辐射的方向图；当第二端口9工作时，从图12(a)与12(b)可以看出，天线此时也具备全向辐射的能力。
[0084]
本发明使用特征模理论实现对辐射体在任意频域范围内潜在辐射能力的展示，便于找到所需要的模式并加以利用，对于不需要的模式可以根据其模式电流来改变其影响；本发明使用特征模理论指导天线馈电的选择，减少在天线设计过程中的工作量。

技术特征：
1.一种频率可重构滤波天线设计方法，其特征在于：该方法包括下列顺序的步骤：(1)建立微带滤波天线模型，对微带滤波天线进行模式分析，得出微带滤波天线的模式曲线特点；所述微带滤波天线模型由矩形辐射贴片、第一介质板和金属地板组成，矩形辐射贴片印刷在第一介质板的上板面，金属地板印刷在第一介质板的下板面；(2)在微带滤波天线上设置寄生贴片；(3)对带有寄生贴片的微带滤波天线进行特征模分析，分析所有的模式，对于不符合微带滤波天线的模式根据其模式电流对天线的结构进行修改；(4)分析所有模式电流的分布特点，增加激励结构，最后对天线结构进行仿真优化。2.根据权利要求1所述的频率可重构滤波天线设计方法，其特征在于：所述步骤(1)具体包括以下步骤：(1a)首先在cst微波工作室中，建立微带滤波天线模型，进行模式分析；(1b)启动cst的网格剖分功能，对微带滤波天线进行网格划分，然后启动求解器，cst依据网格划分结果对下列公式进行求解：其中，[x]和[r]分别是阻抗矩阵的虚部和实部，λ
n
表示为第n个特征向量的特征值；当λ
n
等于零时，表示结构具有最大的辐射能量，即处于谐振；模态显著性ms的计算公式如下：其中，j为虚数单位，ms的值域为0到1，ms的值为1时表示此时的辐射能力最强；当ms值等于0.707时，辐射功率为之前的一半，辐射带宽bw定义为ms值大于0.707的频率范围；(1c)提取微带滤波天线的ms的值，并绘制ms关于频率的曲线图，即微带滤波天线的模式分布曲线；观察ms曲线，得出模式分析结果。3.根据权利要求1所述的频率可重构滤波天线设计方法，其特征在于：所述步骤(2)是指：在矩形辐射贴片的上方设置与其长宽比大致相同的寄生贴片，寄生贴片印刷在第二介质板的板面上，寄生贴片与第二介质板的尺寸大小一致，第二介质板的板面与第一介质板的板面平行，第二介质板与第一介质板之间设置连接件。4.根据权利要求1所述的频率可重构滤波天线设计方法，其特征在于：所述步骤(3)具体包括以下步骤：(3a)对带有寄生贴片的微带滤波天线进行模式分析，得到ms曲线关于频率的变化的曲线，记录各个模式在ms值等于1时的频率值，并将这些值设置为cst计算电流图的监视点，启动cst计算电流分布；(3b)提取并绘制出带有寄生贴片的微带滤波天线各个模式的电流图，观察得到的电流图的电流流向；当某个模式的矩形辐射贴片的整体电流流向与寄生贴片电流流向相同时，判断该模式符合微带滤波天线的特点；反之，当某个模式的矩形辐射贴片的整体电流流向与寄生贴片电流流向相反时，判断该模式则不符合微带滤波天线的特点；(3c)分析带有寄生贴片的微带滤波天线的全部模式，对于不符合微带滤波天线特点的
模式修改其天线结构，具体为：对于寄生贴片的电流流向平行于x轴的模式，在寄生贴片上蚀刻一个平行于y轴的缝隙，缝隙长度小于寄生贴片的长度；对于寄生贴片的电流流向平行于y轴的模式，在寄生贴片上蚀刻一个平行于x轴的缝隙。5.根据权利要求1所述的频率可重构滤波天线设计方法，其特征在于：所述步骤(4)具体包括以下步骤：(4a)将带有缝隙的微带滤波天线进行模式分析并绘制出各个模式的电流分布，观察矩形辐射贴片的电流流向，对于电流流向平行于x轴的模式，使用一个平行于x轴含有1/4波长阻抗匹配的第一微带线进行激励；对于电流流向平行于y轴的模式，使用一个平行于y轴含有1/4波长阻抗匹配的第二微带线进行激励；(4b)将含有激励结构的微带滤波天线在高频结构仿真软件hfss中进行建模，并将所有结构变量参数化建模；启动hfss进行仿真优化，优化得到符合预期结果的天线尺寸。

技术总结
本发明涉及一种频率可重构滤波天线设计方法，包括：建立微带滤波天线模型，对微带滤波天线进行模式分析，得出微带滤波天线的模式曲线特点；在微带滤波天线上设置寄生贴片；对带有寄生贴片的微带滤波天线进行特征模分析，分析所有的模式，对于不符合微带滤波天线的模式根据其模式电流对天线的结构进行修改；分析所有模式电流的分布特点，增加激励结构，最后对天线结构进行仿真优化。本发明使用特征模理论实现对辐射体在任意频域范围内潜在辐射能力的展示，便于找到所需要的模式并加以利用，对于不需要的模式可以根据其模式电流来改变其影响；本发明使用特征模理论指导天线馈电的选择，减少在天线设计过程中的工作量。减少在天线设计过程中的工作量。减少在天线设计过程中的工作量。


技术研发人员：程光尚 楚佰通 黄志祥 杨利霞 刘银燕
受保护的技术使用者：池州信安电子科技有限公司
技术研发日：2021.12.06
技术公布日：2022/3/8