一种具有可重构谐波抑制功能的双极化三频段的频率可重构天线的制作方法

本发明属于天线技术领域，涉及一种具有可重构谐波抑制功能的双极化三频段的频率可重构天线，可应用于无线通信系统。

背景技术：

自二十世纪六十年代以来，随着现代雷达和通信系统的迅速发展，为实现通信、导航、制导、警戒、武器寻的等目的，飞机、轮船、卫星等所需的天线数量越来越多。这使得平台上所负载的重量不断增加，而且搭建天线所需的费用也不断上升，同时，各天线之间的电磁下扰也非常大，严重影响天线的正常工作。由于可重构天线体积小，功能多变，为减轻平台上所负载的天线重量、降低成本，国内外的研究机构对可重构天线都有了一些深入的研究使得其快速的发展，其主要形式按功能有频率可重构天线（宽频带或者多频带）、方向图可重构天线、极化可重构和多电磁参数可重构天线等，通过改变可重构天线的结构可以使得天线在频率、方向图、极化方式等多种参数中的一种或多种实现可重构特性，这样可以使天线在不同的工作状态下来回切换，实现有效的功能分集。

随着5g时代的到来和mimo技术的发展以及消费者对大容量高速率通信的需求，研究者们发现利用天线极化和方向图多样性的分集接收和发射可以降低mimo系统中子信道的相关性，从而提高系统的容量。因此，其应用前景广阔。

然而，在微带天线集成到集成电路中时，就会产生电磁兼容的问题，降低通信质量，因此需要加入滤波结构来抑制谐波，但是一般的滤波结构可能导致的问题是在频率可重构天线工作在低频处时，滤波结构虑除低频谐波可能会导致天线切换到高频工作状态时天线无法正常工作。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种具有可重构谐波抑制功能的双极化三频段的频率可重构天线，实现了三频段的频率可重构和天线极化可重构，同时也实现了在天线工作工作在不同的频段时，各个频段的谐波的到了抑制同时不影响其他频段的正常工作。

为实现上述目的，本发明采用以下技术手段，种具有可重构谐波抑制功能的双极化三频段的频率可重构天线，包括上层介质基板和下层介质基板，所述的上层介质基板上设有上层天线可重构辐射单元，所述的下层介质基板上设有下层天线可重构辐射单元，所述的上层介质基板与下层介质基板进行叠加并具有缝隙，且所述的上层天线可重构辐射单元与下层天线可重构辐射单元相互垂直；所述的上层介质基板的端部设有上层可重构滤波结构，该上层可重构滤波结构与上层天线可重构辐射单元对接，所述的下层介质基板的端部设有下层可重构滤波结构，该下层可重构滤波结构与下层天线可重构辐射单元对接，且所述上层可重构滤波结构位于上层介质基板的边与下层可重构滤波结构位于下层介质基板的边垂直。

所述的上层天线可重构辐射单元包括贴在上层介质基板上表面的三阶频率可重构金属贴片ⅰ，贴在上层介质基板下表面的三阶频率可重构金属贴片ⅱ，该三阶频率可重构金属贴片ⅰ和三阶频率可重构金属贴片ⅱ位于上层介质基板的对角线上，且三阶频率可重构金属贴片ⅰ和三阶频率可重构金属贴片ⅱ分别向上层介质基板的中心延伸，所述的三阶频率可重构金属贴片ⅰ位于上层介质基板中心的端部与上层介质基板上表面边上贴有的巴伦馈电结构ⅰ通过矩形贴片接通，所述的三阶频率可重构金属贴片ⅱ位于上层介质基板中心的端部与上层介质基板下表面边上贴有的巴伦馈电结构ⅱ通过矩形贴片接通；所述的上层可重构滤波结构与巴伦馈电结构ⅰ或巴伦馈电结构ⅱ对接；

所述的下层天线可重构辐射单元包括贴在下层介质基板上表面的三阶频率可重构金属贴片ⅲ，贴在下层介质基板下表面的三阶频率可重构金属贴片ⅳ，该三阶频率可重构金属贴片ⅲ和三阶频率可重构金属贴片ⅳ位于下层介质基板的对角线上，且三阶频率可重构金属贴片ⅲ和三阶频率可重构金属贴片ⅳ分别向下层介质基板的中心延伸，所述的三阶频率可重构金属贴片ⅲ位于下层介质基板中心的端部与下层介质基板上表面边上贴有的巴伦馈电结构ⅲ通过矩形贴片接通，所述的三阶频率可重构金属贴片ⅳ位于下层介质基板中心的端部与下层介质基板下表面边上贴有的巴伦馈电结构ⅳ通过矩形贴片接通；所述的下层可重构滤波结构与巴伦馈电结构ⅲ或巴伦馈电结构ⅳ对接。

所述的上层可重构滤波结构包括对接在上层介质基板边上的上滤波基板，贴在上滤波基板上表面或者下表面的且与巴伦馈电结构ⅰ或巴伦馈电结构ⅱ对接的馈线ⅰ、贴在上滤波基板上且与馈线平行的可重构滤波枝节ⅰ和可重构滤波枝节ⅱ，所述的可重构滤波枝节ⅰ和可重构滤波枝节ⅱ位于馈线ⅰ的两侧，所述的可重构滤波枝节ⅰ和可重构滤波枝节ⅱ与馈线ⅰ之间通过pin管接通；

所述的所述的下层可重构滤波结构包括对接在下层介质基板边下的下滤波基板，贴在下滤波基板下表面或者下表面的且与巴伦馈电结构ⅲ或巴伦馈电结构ⅳ对接的馈线ⅱ、贴在下滤波基板上且与馈线ⅱ平行的可重构滤波枝节ⅲ和可重构滤波枝节ⅳ，所述的可重构滤波枝节ⅲ和可重构滤波枝节ⅳ位于馈线ⅱ的两侧，所述的可重构滤波枝节ⅲ和可重构滤波枝节ⅳ与馈线ⅱ之间通过pin管接通。

所述的三阶频率可重构金属贴片ⅰ、三阶频率可重构金属贴片ⅱ、三阶频率可重构金属贴片ⅲ和三阶频率可重构金属贴片ⅳ都是由多个金属切片通过pin管连接而成的三角形。

所述的所述的可重构滤波枝节ⅰ和可重构滤波枝节ⅱ与馈线ⅰ之间的距离为mm；所述的可重构滤波枝节ⅲ和可重构滤波枝节ⅳ与馈线ⅱ之间的距离为mm。

所述的上层介质基板和下层介质基板通过介质柱或者金属柱连接，且该上层介质基板与下层介质基板之间的距离为.mm。

所述的馈线ⅰ与可重构滤波枝节ⅰ或可重构滤波枝节ⅱ之间连接有l型可重构滤波枝节ⅰ，所述的l型可重构滤波枝节ⅰ一端与馈线ⅰ通过pin管连接，另一端与可重构滤波枝节ⅰ或可重构滤波枝节ⅱ通过pin管连接；

所述的馈线ⅱ与可重构滤波枝节ⅲ或可重构滤波枝节ⅳ之间连接有l型可重构滤波枝节ⅱ，所述的l型可重构滤波枝节ⅱ一端与馈线ⅱ通过pin管连接，另一端与可重构滤波枝节ⅲ或可重构滤波枝节ⅳ通过pin管连接。

所述的上层介质基板、下层介质基板、上层可重构滤波结构、下层可重构滤波结构采用介电常数为4.4的fr4材料制成。

本发明的有益效果是：

1.本发明通过使用三阶sierpinski分形天线和四个pin管，实现了三频段频率可调的频率可重构天线，工作频段宽。

2.本发明通过使微带馈线与辐射贴片呈45度夹角，可以使两天线辐射单元近距离层叠放置而不会影响其驻波比等方面的性能，同时实现圆极化和线极化切换的功能。

3.本发明通过引入可重构滤波结构，改善了天线在不同工作频段内的谐波抑制的问题，同时不影响天线各个频段的工作性能，改善了电磁兼容的性能，可以应用于集成电路。

附图说明

图1是本发明天线实施例的结构示意图；

图2是本发明中天线实施例侧视结构示意图；

图3a是本发明中上层天线可重构辐射单元或下层天线可重构辐射单元结构示意图；

图3b是本发明中上层可重构滤波结构或下层可重构滤波结构的结构示意图；

图4a是发明实施例天线辐射单元高频工作的s参数仿真图；

图4b是发明实施例天线辐射单元中频工作的s参数仿真图；

图4c是发明实施例天线辐射单元低频工作的s参数仿真图；

图5a是高频工作频段经过谐波抑制的s参数和轴比图一；

图5b是高频工作频段经过谐波抑制的s参数和轴比图二；

图6a是中频工作频段经过谐波抑制的s参数和轴比图一；

图6b是中频工作频段经过谐波抑制的s参数和轴比图二；

图7a是低频工作频段经过谐波抑制的s参数和轴比图一；

图7b是低频工作频段经过谐波抑制的s参数和轴比图二。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

实施例1

如图1所示的一种具有可重构谐波抑制功能的双极化三频段的频率可重构天线，包括上层介质基板3和下层介质基板4，所述的上层介质基板3和下层介质基板4为大小相同的正方形，在叠加时进行对齐叠加，所述的上层介质基板3上设有上层天线可重构辐射单元1，所述的下层介质基板4上设有下层天线可重构辐射单元2，所述的上层介质基板3与下层介质基板4进行叠加并具有缝隙，具体在安装时，所述的上层介质基板3和下层介质基板4通过介质柱或者金属柱连接，且该上层介质基板3与下层介质基板4之间的距离为0.1mm，且所述的上层天线可重构辐射单元1与下层天线可重构辐射单元2相互垂直；所述的上层介质基板3的端部设有上层可重构滤波结构5，该上层可重构滤波结构5与上层天线可重构辐射单元1对接，保证上层可重构滤波结构5与上层天线可重构辐射单元1连通，所述的下层介质基板4的端部设有下层可重构滤波结构6，该下层可重构滤波结构6与下层天线可重构辐射单元2对接，保证下层可重构滤波结构6与下层天线可重构辐射单元2连通，且所述上层可重构滤波结构5位于上层介质基板3的边与下层可重构滤波结构6位于下层介质基板4的边垂直。

具体的是所述的上层天线可重构辐射单元1包括贴在上层介质基板3上表面的三阶频率可重构金属贴片ⅰ7，贴在上层介质基板3下表面的三阶频率可重构金属贴片ⅱ8，该三阶频率可重构金属贴片ⅰ7和三阶频率可重构金属贴片ⅱ8位于上层介质基板3的对角线上，且三阶频率可重构金属贴片ⅰ7和三阶频率可重构金属贴片ⅱ8分别向上层介质基板3的中心延伸，保证该三阶频率可重构金属贴片ⅰ7的顶部位于基板的中心处，同时该三阶频率可重构金属贴片ⅰ7的中心线成45°角，所述的三阶频率可重构金属贴片ⅰ7位于上层介质基板3中心的端部与上层介质基板3上表面边上贴有的巴伦馈电结构ⅰ9通过矩形贴片接通，所述的三阶频率可重构金属贴片ⅱ8位于上层介质基板3中心的端部与上层介质基板3下表面边上贴有的巴伦馈电结构ⅱ10通过矩形贴片接通；所述的上层可重构滤波结构5与巴伦馈电结构ⅰ9或巴伦馈电结构ⅱ10对接；

所述的下层天线可重构辐射单元2包括贴在下层介质基板4上表面的三阶频率可重构金属贴片ⅲ11，贴在下层介质基板4下表面的三阶频率可重构金属贴片ⅳ12，该三阶频率可重构金属贴片ⅲ11和三阶频率可重构金属贴片ⅳ12位于下层介质基板4的对角线上，且三阶频率可重构金属贴片ⅲ11和三阶频率可重构金属贴片ⅳ12分别向下层介质基板4的中心延伸，所述的三阶频率可重构金属贴片ⅲ11位于下层介质基板4中心的端部与下层介质基板4上表面边上贴有的巴伦馈电结构ⅲ13通过矩形贴片接通，所述的三阶频率可重构金属贴片ⅳ12位于下层介质基板4中心的端部与下层介质基板4下表面边上贴有的巴伦馈电结构ⅳ14通过矩形贴片（矩形馈线）接通；所述的下层可重构滤波结构6与巴伦馈电结构ⅲ13或巴伦馈电结构ⅳ14对接。所述的巴伦馈电结构是由位于矩形馈线两侧相对对称的斜线构成三角形结构形成。

所述的所有的三阶频率可重构金属贴片为三角形，具体的是每个三角形的可重构金属贴片具体的由三部分构成，底部和中部为梯形，顶部为三角形，底部梯形的上底与中部梯形的下底长度相等，中部梯形的上底与顶部三角形的底边长度相等，且该底部梯形、中部梯形和顶部三角形通过pin管连接，具体的是，三阶频率可重构金属贴片ⅰ7中底部梯形与中部梯形通过pin管11a连接，中部梯形与顶部三角形通过pin管8a连接；三阶频率可重构金属贴片ⅱ8中底部梯形与中部梯形通过pin管11c连接，中部梯形与顶部三角形通过pin管8c连接；三阶频率可重构金属贴片ⅲ11中底部梯形与中部梯形通过pin管11d连接，中部梯形与顶部三角形通过pin管8d连接；三阶频率可重构金属贴片ⅳ12中底部梯形与中部梯形通过pin管11b连接，中部梯形与顶部三角形通过pin管8b连接。在具体的连接过程中金属贴片与馈线交界处加入矩形贴片。

所述的上层可重构滤波结构5包括对接在上层介质基板3边上的上滤波基板501，贴在上滤波基板501上表面或者下表面的且与巴伦馈电结构ⅰ9或巴伦馈电结构ⅱ10对接的馈线ⅰ502、贴在上滤波基板501上且与馈线502平行的可重构滤波枝节ⅰ503和可重构滤波枝节ⅱ504，所述的可重构滤波枝节ⅰ503和可重构滤波枝节ⅱ504位于馈线ⅰ502的两侧，所述的可重构滤波枝节ⅰ503和可重构滤波枝节ⅱ504与馈线ⅰ502之间通过pin管接通；

所述的下层可重构滤波结构6包括对接在下层介质基板4边下的下滤波基板601，贴在下滤波基板601下表面或者下表面的且与巴伦馈电结构ⅲ13或巴伦馈电结构ⅳ14对接的馈线ⅱ602、贴在下滤波基板601上且与馈线ⅱ602平行的可重构滤波枝节ⅲ603和可重构滤波枝节ⅳ604，所述的可重构滤波枝节ⅲ603和可重构滤波枝节ⅳ604位于馈线ⅱ602的两侧，所述的可重构滤波枝节ⅲ603和可重构滤波枝节ⅳ604与馈线ⅱ602之间通过pin管接通。

所述的所述的可重构滤波枝节ⅰ503和可重构滤波枝节ⅱ504与馈线ⅰ502之间的距离为2mm；所述的可重构滤波枝节ⅲ603和可重构滤波枝节ⅳ604与馈线ⅱ602之间的距离为2mm。

所述的馈线ⅰ502与可重构滤波枝节ⅰ503或可重构滤波枝节ⅱ504之间连接有l型可重构滤波枝节ⅰ505，所述的l型可重构滤波枝节ⅰ505一端与馈线ⅰ502通过pin管连接，另一端与可重构滤波枝节ⅰ503或可重构滤波枝节ⅱ504通过pin管连接；

所述的馈线ⅱ602与可重构滤波枝节ⅲ603或可重构滤波枝节ⅳ604之间连接有l型可重构滤波枝节ⅱ605，所述的l型可重构滤波枝节ⅱ605一端与馈线ⅱ602通过pin管连接，另一端与可重构滤波枝节ⅲ603或可重构滤波枝节ⅳ604通过pin管连接。

具体的是馈线502与可重构滤波枝节ⅰ503通过pin管15a连接，可重构滤波枝节ⅱ504与l型可重构滤波枝节ⅰ505通过pin管15c连接，l型可重构滤波枝节ⅰ505与馈线ⅰ502通过pin管15b连接；

馈线ⅱ与可重构滤波枝节ⅲ通过pin管15d连接，可重构滤波枝节ⅳ与l型可重构滤波枝节ⅱ通过pin管15f连接，l型可重构滤波枝节ⅱ与馈线ⅱ通过pin管15e连接。

所述的上层介质基板3、下层介质基板4、上层可重构滤波结构5、下层可重构滤波结构6采用介电常数为4.4的fr4材料制成。

参照图1、图2与图3a，图3b，本发明在天线辐射单元和可重构滤波结构中使用的二极管均采用macom公司生产的ma4agp907，通过调节电容和电阻来实现pin管的通断，电阻为5.2ω时，pin管导通，当电容为0.018pf时，pin管断开。

在图1所示实例中，天线设计在介电常数为4.4，损耗角正切0.02，厚度0.25mm的fr4介质基板上。天线的尺寸为（单位为：mm）：a=3.8，b=3.5，c=2.5，l2=12，n=1.5，kw=0.2，kw1=3，lx=0.5，l3=6，ld=0.6，ld1=0.5，ld3=2.8，ld4=2.2，dl2=0.5，dl3=2，wd=0.2。

经过电磁软件ansofthfss16仿真，在pin管15a、pin管15b、pin管15c、pin管15d、pin管15e、pin管15f都断开的情况下，当pin管8a、pin管8b、pin管8c、pin管8d断开时，天线工作在高频状态，得到如图4(a)所示的回波损耗；当pin管8a、pin管8b、pin管8c、pin管8d导通，pin管11a、pin管11b、pin管11c、pin管11d断开时，天线工作在中频状态，得到如图4b所示的回波损耗；当pin管8a、pin管8b、pin管8c、pin管8d、in管11a、pin管11b、pin管11c、pin管11d均导通时，天线工作在低频状态，得到如图4c所示的回波损耗；

在pin管15a、pin管15b、pin管15d、pin管15e导通，pin管15c、pin管15f都断开的情况下，当天线工作在高频状态下时，即pin管8a、pin管8b、pin管8c、pin管8d断开，此时得到如图5a所示的回波损耗,此时天线轴比如图5b所示；在pin管15a、pin管15b、pin管15c、pin管15d、pin管15e、pin管15f都导通的情况下，当天线工作在中频状态下时，即pin管8a、pin管8b、pin管8c、pin管8d导通，pin管11a、pin管11b、pin管11c、pin管11d断开，此时得到如图6a所示的回波损耗，此时天线轴比如图6b所示；在pin管15a、pin管15d断开，pin管15b、pin管15c、pin管15e、pin管15f导通的情况下，当天线工作在低频状态下时，即pin管pin管8a、pin管8b、pin管8c、pin管8d、pin管11a、pin管11b、pin管11c、pin管11d导通，此时得到如图7a所示的回波损耗,此时天线轴比如图7b所示；

从图4a可以看出，本发明实施例天线辐射单元高频工作频段的s参数为11.3ghz-13.2ghz，且在17ghz、21ghz和26ghz附近出现了谐波。

从图4b可以看出，本发明实施例天线辐射单元中频工作频段的s参数为5.6ghz-6.4ghz，且在14ghz附近出现了谐波。

从图4c可以看出，本发明实施例天线辐射单元低频工作频段的s参数为11.3ghz-13.2ghz，且在12ghz附近出现了谐波。

从图5a、图5b可以看出，天线在17ghz、21ghz和26ghz附近的谐波已经被有效的抑制掉了，且天线在高频工作频段内轴比小于3，实现高频圆极化特性，可以实现极化切换的功能。

从图6a、图6b可以看出，天线在14ghz附近的谐波已经被有效的抑制掉了，且天线在中频工作频段内轴比小于3，实现中频圆极化特性，可以实现极化切换的功能。

从图7a、图7b可以看出，天线在12ghz附近的谐波已经被有效的抑制掉了，且天线在低频工作频段内轴比小于3，实现低频圆极化特性，可以实现极化切换的功能。

通过上述仿真实验的结果可以看出，本发明的可重构谐波抑制性能良好，且不会对其他频段产生不良影响，同时在各个工作频点的轴比性能较好，可以广泛应用于通信领域

以上实施例仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。