大频比双功能射频设备及无线传输系统

1.本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种大频比双功能射频设备及无线传输系统。


背景技术：

2.随着无线通信技术的进一步发展，设计小型化、高集成度的基站系统已成为一种趋势。为了实现这一目标，将两个或两个以上的射频模块集成到同一个设备中是一个有效途径。因此，具备双或多功能的射频设备受到了越来越多学者的青睐。
3.天线和滤波器是通信系统中两个不可或缺的组成部分。天线充当辐射体，将系统的数字信号以电磁波传播的方式发射在大气中，或者可以接收来自某一特定方向的无线电信号。滤波器可以对特定频率的信号有效地滤除，将有用的信号传输到另一个端口。具备滤波器和天线双功能的射频设备可以应用在可重构的网络中，根据工作要求而对其功能进行切换，从而减小系统的尺寸和成本。当前的无线通信系统存在微波和毫米波波段的信号共存的情况，大频比的射频模块既可以满足系统的通信要求，又比传统的分开设计方法节省了更多的空间。另外，由于双圆极化天线可以提高无线通信的容量，对抗多径干扰，并且不需要在发射天线和接收天线之间进行严格定向。因此，研究实现天线的双圆极化辐射对于现代无线通信的应用具有重要的应用和学术意义。
4.综上所述，亟待设计一种大频比双功能射频设备，使得在同一个设备中同时将滤波器和双圆极化天线集成起来，并且将微波和毫米波的频谱资源共同利用起来。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的是提出一种大频比双功能射频设备及无线传输系统，旨在同一个设备中集成天线和滤波器双功能。
6.为实现上述目的，本发明提出一种大频比双功能射频设备，所述大频比双功能射频设备包括：
7.方形介质基板，具有相对设置的第一表面和第二表面；
8.两个t型金属导体平面，设置于所述第一表面，且对应所述方形介质基板相连的两个侧边设置，两个所述t型金属导体平面呈正交分布，两个所述t型金属导体平面的区域内形成有共面波导结构及缝隙耦合结构，所述共面波导结构与所述缝隙耦合结构相互配合形成毫米波天线；
9.低频滤波器，设置于所述第二表面，并与所述共面波导结构耦合连接，以实现低频滤波；
10.两个方形介质极化器，间隔设置于与所述第二表面相同的一侧，两个所述方形介质极化器的正投影与每一所述t型金属导体平面均呈45
°
设置。
11.可选地，每一所述共面波导结构包括：
12.端口，设置于所述方形介质基板的侧边；
13.共面波导馈线，一端与所述端口电连接，另一端向背离所述端口的一侧延伸；
14.第一共面波导地板、第二共面波导地板，与所述端口电连接，分设于所述共面波导馈线的两侧，并与所述共面波导馈线之间形成有第一缝隙。
15.可选地，每一所述缝隙耦合结构包括：
16.第二缝隙，所述第二缝隙形成于第一共面波导地板、第二共面波导地板及所述共面波导馈线之间的公共连接处。
17.可选地，所述低频滤波器包括：
18.两个耦合谐振器，两个耦合谐振器耦合连接，且分别对应一所述缝隙耦合结构的上方设置。
19.可选地，每一所述方形介质极化器包括：
20.多个介质片，多个所述介质片之间相互间隔设置，且通过连接件相互连接。
21.可选地，所述大频比双功能射频设备还包括：
22.金属反射板，间隔设置于与所述第二表面相同的一侧
23.可选地，所述低频滤波器的中心工作频率为5.8ghz，所述毫米波天线的中心工作频率为42ghz。
24.可选地，多个第一支撑柱，所述第一支撑柱一端固定于所述方形介质基板，每一所述第一支撑柱的另一端固定于所述金属反射板。
25.可选地，多个第二支撑柱，两个所述方形介质极化器通过所述第二支撑柱固定于所述方形介质基板上。
26.本发明还提出一种无线传输系统，所述无线传输系统包括如上所述大频比双功能射频设备。
27.本发明提出一种既具有毫米波圆极化天线功能又具有低频滤波器功能的大频比双功能射频设备，通过在介质基片底部设置共面波导结构，可以激励介质基片顶部的滤波器，也可以激励共面波导里的缝隙耦合结构，使之成为天线的辐射体，即能量从缝隙耦合结构辐射出去，并通过两个方形介质极化器将天线辐射的线极化波转换成圆极化。本发明提出可以应对未来通信系统要求多频段共存和设备小型化的挑战。另外，具备天线和滤波器双功能的射频设备可应用在可重构的网络中，将会为未来提高系统的集成度提供了一种可行方案，也为更多功能集成的无线通信技术提供了技术储备。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
29.图1为本发明大频比双功能射频设备一实施例的结构示意图；
30.图2为本发明大频比双功能射频设备一实施例的俯视图；
31.图3为本发明大频比双功能射频设备一实施例的侧视图；
32.图4为图1中方形介质基板一实施例的结构示意图；
33.图5为图1中方形介质基板另一实施例的结构示意图；
34.图6-图7为为本发明大频比双功能射频设备的具体尺寸图；
35.图8为本发明大频比双功能射频设备的s参数、增益随频率变化情况图；
36.图9为本发明大频比双功能射频设备的轴比随频率变化情况图；
37.图10为本发明大频比双功能射频设备在40ghz时的归一化辐射方向图；
38.图11为本发明大频比双功能射频设备在42ghz时的归一化辐射方向图。
39.附图标号说明：
40.标号名称标号名称100方形介质基板111端口200金属反射板112共面波导馈线300第一支撑柱113第一共面波导地板400第二支撑柱114第二共面波导地板10t型金属导体平面110a第一缝隙20低频滤波器120a第二缝隙30方形介质极化器21、22耦合谐振器
41.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
42.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
43.需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
44.另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
45.本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
46.本发明提出一种大频比双功能射频设备。
47.为了解决上述问题，本发明提出一种大频比双功能射频设备，参照图1至图5，在本发明一实施例中，该大频比双功能射频设备包括：
48.方形介质基板100，具有相对设置的第一表面和第二表面；
49.两个t型金属导体平面10，设置于所述第一表面，且对应所述方形介质基板100相连的两个侧边设置，两个所述t型金属导体平面10呈正交分布，两个所述t型金属导体平面
10的区域内形成有共面波导结构及缝隙耦合结构，所述共面波导结构与所述缝隙耦合结构相互配合形成毫米波天线；
50.低频滤波器20，设置于所述第二表面，并与所述共面波导结构耦合连接，以实现低频滤波；
51.两个方形介质极化器30，间隔设置于与所述第二表面相同的一侧，两个所述方形介质极化器30的正投影与每一所述t型金属导体平面10均呈45
°
设置。
52.本实施例中，方形介质基板100的厚度以及介电常数对整个设备的两个功能的性能有很大的影响，通过确定方形介质基板100介电常数及厚度，以及调节共面波导的传输线特性(包括长度和细长缝隙的宽度)，来调节两个功能的阻抗匹配特性。方形介质基板100采用介电常数为2.6的板材，型号是rogers rt/duroid 5880lz。方形介质基板100具有相对设置的第一侧表面和第二侧表面，第一侧表面为远离方形介质极化器30的一侧，第二侧表面为靠近方形介质极化器30的一侧，两个t型金属导体平面10设置于第一侧表面，低频滤波器20于第二侧表面。两个t型金属导体平面10与低频滤波器20分设于方形介质基板100的两侧表面，所述低频滤波器20和两个t型金属导体平面10可以是贴片形式设置于方形介质基板100上，也可以是经光刻刻蚀的镀层，例如低频滤波器20和两个t型金属导体平面10可以通过印制电路布线工艺的方式分别形成在方形介质基板100的两侧表面上。具体而言，可以通过覆铜和刻蚀的方式在方形介质基板100上形成低频滤波器20和两个t型金属导体平面10的电路走线。或者，将成型的低频滤波器20和两个t型金属导体平面10的电路走线贴设于方形介质基板100上，或者通过其他工艺压合至方形介质基板100上。低频滤波器20和两个t型金属导体平面10可以采用金属铜箔来实现，也可以采用其他金属材质或者非金属导电材质的材料来制得。其中，方形介质基板100的厚度、尺寸及形状可以根据实际应用产品及应用环境等进行设置，以满足不同的应用需求。在一具体实施例中，方形介质基板100的形状可以为方形，例如为长方形或者正方形，方形介质基板100的形状也可以为圆形。本实施例可选为在方形介质基板100的下表面(第一侧表面)刻蚀一层金属铜，这层金属铜形成了形似于两个正交相碰放置的“t”字母形，也即被刻蚀呈两个t型金属导体平面10的形状。在方形介质基板100的上表面(第二侧表面)刻蚀低频滤波器20的形状，低频滤波器20的位置与共面波导结构和缝隙耦合结构的位置相互对应，以通过共面波导结构和缝隙耦合结构来实现能量的传递。
53.设置于方形介质基板100底部，也即第一表面的两个共面波导结构，可以激励介质集片顶部的滤波器，也可以激励共面波导结构内的缝隙耦合结构，使之成为天线的辐射体，即能量从缝隙辐射出去。位于毫米波频段的电磁波可以通过共面波导结构中的任意一个进入天线，使得天线可以产生双极化辐射。
54.设置于方形介质基板100顶部，也即第二表面的滤波器受到两个中的一个共面波导结构的激励，低频电磁波可以通过该共面波导结构进入滤波器，再由另一个共面波导结构输出，从而实现低频滤波。其中，所述低频滤波器20的中心工作频率为5.8ghz，所述毫米波天线的中心工作频率为42ghz。
55.所述两个方形介质极化器30的高度与材料的介电常数相关，为了达到电磁波极化方向转换的目的，方形介质极化器30可以选取相对介电常数为2.6的板材，其形状包括但不限于十字形、圆环形、方形和方框形等旋转对称结构。两个方形介质极化器30平行设置，且
各自与一个t型金属导体平面10均呈45
°
设置。两个方形介质极化器30中，每个方形介质极化器30在方形介质基板100上的投影对应位于一个t型金属导体平面10的中部，且方形介质极化器30的中心在方形介质基板100上的投影与t型金属导体平面10的中心，具体可以与缝隙耦合结构重合。两个介质极化器可以分别实现毫米波频段的左旋圆极化和右旋圆极化，设计过程中通过调整介质极化器的物理尺寸，两个t型金属导体平面10形成的毫米波天线辐射的线极化电磁波可以被两个方形介质极化器30转换成圆极化电磁波。
56.本发明提出一种既具有毫米波圆极化天线功能又具有低频滤波器20功能的大频比双功能射频设备，通过在介质基片底部设置共面波导结构，可以激励介质集片顶部的滤波器，也可以激励共面波导里的缝隙耦合结构，使之成为天线的辐射体，即能量从缝隙耦合结构辐射出去，并通过两个方形介质极化器30将天线辐射的线极化波转换成圆极化。本发明提出可以应对未来通信系统要求多频段共存和设备小型化的挑战。另外，具备天线和滤波器双功能的射频设备将会为未来提高系统的集成度提供了一种可行方案，也为更多功能集成的无线通信技术提供了技术储备。
57.参照图4，在一实施例中，每一所述共面波导结构包括：
58.端口111，设置于所述方形介质基板100的侧边；
59.共面波导馈线112，一端与所述端口111电连接，另一端向背离所述端口111的一侧延伸；
60.第一共面波导地板113、第二共面波导地板114，与所述端口111电连接，分设于所述共面波导馈线112的两侧，并与所述共面波导馈线112之间形成有第一缝隙110a。
61.每一所述缝隙耦合结构包括：
62.第二缝隙120a，所述第二缝隙120a形成于第一共面波导地板113、第二共面波导地板114及所述共面波导馈线112之间的公共连接处。
63.本实施例中，两个共面波导结构的端口111分别设置在方形介质基板100相邻设置的两条侧边上，共面波导馈线112的一端与端口111连接，并自端口111至方形介质基板100的中心延伸，第一共面波导地板113、第二共面波导地板114则设置在共面波导馈线112的两侧，第一共面波导地板113与共面波导馈线112之间，以及第二共面波导地板114与共面波导馈线112之间均形成有一条缝隙，即第一缝隙110a，第一缝隙110a与周围的金属共同作用，起到共面波导功能。第二缝隙120a则形成于第一共面波导地板113、第二共面波导地板114及共面波导馈线112之间的公共连接处，第二缝隙120a与第一共面波导地板113、第二共面波导地板114及共面波导馈线112共同形成毫米波天线。
64.在大频比双功能射频设备正常工作时，低频电磁波可以通过两个共面波导结构中任意一个的端口111进入低频滤波器20，到达另外一个共面波导结构的端口111，从而实现两端口111低频滤波，具体而言，低频电磁波自一个端口111接入后，经共面波导馈线112传导至第一共面波导地板113、第二共面波导地板114及所述共面波导馈线112之间的公共点处，通过介质耦合至位于第二表面的低频滤波器20，再由低频滤波器20经过介质耦合后，由另一个t型金属导体平面10上的共面波导馈线112传导至另一个端口111，完成低频滤波。高频电磁波则可以通过两个共面波导结构中的任意一个端口111进入天线辐射源，也即第二缝隙120a，使得天线可以产生双极化高频辐射，再配合位于上方的介质极化器，能够通过第二缝隙120a辐射至介质极化器，完成左旋源极化或者右旋圆极化。本发明通过调节第二缝
隙120a的宽度和长度，可以调节其带宽及端口111隔离度。
65.参照图5，在一实施例中，所述低频滤波器20包括：
66.两个耦合谐振器21、22，两个耦合谐振器21、22耦合连接，且分别对应一所述缝隙耦合结构的位置设置。
67.本实施例中，两个耦合谐振器21、22分别设置两个t型金属导体平面10，并且两个耦合谐振器21、22的走线方向垂直于共面波导馈线112的方向，两个耦合谐振器21、22的交汇处为两个t型金属导体平面10的正交处。两个耦合谐振器21、22的端部布线面积大于中间走线面积，以减少电磁波损耗，有利于提高滤波器的性能。通过调节滤波器两个耦合谐振器21、22的微带线的长度和宽带，可以调节工作频率和滤波插入损耗。
68.参照图1至图3，在一实施例中，每一所述方形介质极化器30包括：
69.多个介质片，多个所述介质片之间相互间隔设置，且通过连接件相互连接。
70.本实施例中，多个介质片平行设置，并且每个介质片在方形介质基板100上的投影均与对应的t型金属导体平面10呈45
°
夹角设置，也即，每个介质片与方位面均呈45度夹角。介质片的数量、介质片的板宽及相邻介质片之间的间距可以根据毫米波天线进行调整，本实施例可选为5块，或者5块以上。当毫米波天线发出的电磁波经过方形介质极化器30后，方形介质极化器30当中的介质片可对线极化波产生扰动，进而产生两个相互正交的模式，这两个模式的电磁波幅度相同且相位相差90度，最终实现圆极化辐射。本发明通过方形介质极化器30将天线辐射的线极化波转换成圆极化，可以通过调节其尺寸和与介质基片间的距离，对圆极化轴比参数进行优化。另外，方形介质极化器30也可以提高天线的增益。
71.参照图1或图3，在一实施例中，所述大频比双功能射频设备还包括：
72.金属反射板200，间隔设置于与所述第二表面相同的一侧
73.本实施例中，金属反射板200用于对毫米波天线的辐射方向图进行定向，在实际应用时，金属反射板200与设置于第二表面的毫米波天线对应，金属反射板200能够将毫米波天线辐射的电磁波进行导向，传递至方形介质极化器30，实现圆极化辐射。本发明中的金属反射板200对天线的辐射方向图具有定向的作用，可以通过调节它与介质基片之间的距离和它本身的厚度，对天线辐射的方向图进行调节。另外，它的大小对滤波器的插入损耗也有一定的影响。
74.参照图1或图3，在一实施例中，多个第一支撑柱300，所述第一支撑柱300一端固定于所述方形介质基板100，每一所述第一支撑柱300的另一端固定于所述金属反射板200。
75.本实施例中，金属反射板200被设置在整个天线的底部，通过四个螺丝钉和第一支撑柱300与在其之上的方形介质基板100固定，使得金属反射板200以及设置于其上的方形介质基板100组合在一起，形成大频比双功能射频设备。
76.参照图1或图3，在一实施例中，多个第二支撑柱400，两个所述方形介质极化器30通过所述第二支撑柱400固定于所述方形介质基板100上。
77.所述方形介质极化器30通过第二支撑柱400固定于所述方形介质基板100的上方。所述第二支撑柱400可选为介电常数与方形介质极化器30的介电常数相同材料制得，以减小第二支撑柱400对天线的电路参数和辐射参数的影响。在实际应用时，所述第二支撑柱400可以与方形介质基板100之间通过螺纹连接，例如，可以将第二支撑柱400靠近方形介质基板100的一端设置成螺纹结构，螺纹结构贯穿方形介质基板100，进而将方形介质基板100
与第二支撑柱400通过螺帽锁紧，即可将方形介质极化器30和方形介质基板100固定。
78.结合实验对上述的大频比双功能射频设备的滤波和辐射特性做进一步说明：
79.参照图1至图5，该基于共面波导馈电的大频比双功能射频设备包括：两个方形介质极化器30，一层介质基片，一层金属反射板200；所述的两个方形介质极化器30通过其下面的第二支撑柱400被固定在所述介质基片的上方，以使天线辐射的线极化电磁波转换成圆极化电磁波；所述介质基片的顶部和底部都刻蚀了金属铜。其中，顶部的金属铜充当低频滤波器20。底部的金属铜形似于两个正交相碰放置的“t”字母形，它里面有两条非金属缝隙，其中较为细长的缝隙与周围的金属充当共面波导功能，而较为宽短的缝隙充当毫米波天线。所述共面波导有两个输入端口111，分别位于介质基片的下边缘和右边缘。共面波导既是毫米波天线的馈电电路，也是低频滤波器20的馈电电路；所述金属反射板200被放置在介质基片的下方，介质基片和金属反射板200用第一支撑柱300固定在一起。低频电磁波可以通过共面波导的一个端口111进入滤波器，到达另外一个端口111，从而实现两端口111低频滤波。位于毫米波频段的电磁波可以通过共面波导的任意一个端口111进入天线，使得天线可以产生双极化辐射。
80.参照图6和图7，图6和图7为天线的具体尺寸，该天线的具体尺寸如表1(单位：mm)所示。
81.表1
[0082][0083][0084]
参照图8和图9所示，该图8显示了hfss仿真软件测得的s参数、天线增益，图9轴比随频率变化情况的轴比曲线图，从图中可以看出该大频比双功能射频设备的工作范围分别为低频滤波器20频段(s11＜-10db)为5.76ghz-6.04ghz，带宽为4.7％，通带内平均插入损耗为1.31db；毫米波天线频段(s11＜-10db)为37.87ghz-45.08ghz，带宽为17.3％，带内隔离度均在-30db以下；毫米波圆极化天线的平均增益为16.05dbic，增益浮动范围为0.9db，轴比范围(ar＜3db)完全覆盖毫米波天线的通带，范围为37.06ghz-46ghz及以上。
[0085]
参照图10和图11所示，该图是本实施例中大频比双功能射频设备的毫米波天线部分的方向图结果，从图中可以看出，毫米波天线的辐射属于圆极化定向辐射，且交叉极化较小。其中图10为40ghz时的方向图，图11为42ghz时的方向图，每个图中都包括gainrhcp和gainlhcp在两个面上的参数。
[0086]
由以上试验结果可知，本发明所提出的大频比双功能射频设备将毫米波圆极化天线和低频滤波器20集成在同一个设备上，两个功能的性能优越。这个设备实现了微波频段
滤波器的滤波，以及毫米波频段的圆极化辐射，如此实现了滤波器和天线的双功能集成，两者工作频段的中心频率之比为7。本发明可应用在要求功能可切换的可重构通信网络中，因为它可以根据不同的需求而做出相应的调整，从而减小系统开发成本和周期。同时，本发明为提高系统集成度技术提供了一种可行方案，也为未来要求小型化和多功能集成的无线通信系统提供了技术储备。
[0087]
以上所述的实施例，只是本发明中经优化后所选择的具体实现方式之一，本领域的技术员在本发明技术方案范围内进行的修改或变化都应包含在本发明的保护范围之内。
[0088]
本发明还提出一种无线传输系统，包括如上所述的大频比双功能射频设备；
[0089]
该大频比双功能射频设备的详细结构可参照上述实施例，此处不再赘述；可以理解的是，由于在本发明无线传输系统中使用了上述大频比双功能射频设备，因此，本发明无线传输系统的实施例包括上述大频比双功能射频设备全部实施例的全部技术方案，且所达到的技术效果也完全相同，在此不再赘述。
[0090]
以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。