CN101237082A - 基于分裂环谐振器和贴片刻蚀缝隙的多阻带超宽带天线 - Google Patents

基于分裂环谐振器和贴片刻蚀缝隙的多阻带超宽带天线 Download PDF

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基于分裂环谐振器和贴片刻蚀缝隙的多阻带超宽带天线包含刻蚀缝隙圆盘天线和分裂环谐振器耦合微带结构两部分，下表面金属镀层(2)为馈线部分的地，上表面金属镀层(3)包含有天线辐射单元(4)、微带馈线(5)、梯形阻抗变换线(6)以及分裂环谐振器(8)；其中，天线辐射单元(4)采用圆盘天线，其上有同圆心的分裂环形缝隙(7)，圆盘天线背后无金属地；馈线部分(5)采用微带线形式，馈线部分(5)与天线辐射单元(4)之间通过梯形阻抗变换线(6)进行阻抗匹配连接；分裂环谐振器(8)包含有两对谐振器即第一谐振器(9)、第二谐振器(10)，对称分布于馈线两侧，每个谐振器由内外两个分裂环构成，内环的开口方向远离馈线，外环的开口方向靠近馈线。

Description

基于分裂环谐振器和贴片刻蚀缝隙的多阻带超宽带天线
技术领域
本发明是一种具有抗多频率信号干扰的多阻带超宽带(Ultra-Wideband，UWB)天线综合设计技术。
背景技术
超宽带通信系统具有低复杂度、低成本、抗多径和抗混迭等诸多优点，适应与当今高速宽带通信系统的发展要求。但是，随着各种通信系统的发展，超宽带通信系统与其它同频率通信系统出现了频带重叠，因此超宽带系统的发展就不得不面临系统间的互干扰问题。以工作频带为2GHz-I0GHz的超宽带系统为例，与之相干扰的频点信号包括：WLAN的2.4GHz/5.8GHz信号，以及固定宽带无线接入(FBWA)3.5GHz信号等。干扰信号的存在，大大影响甚至破坏了各通信系统的工作。为了避免这些频点信号的干扰，在超宽带通信系统的设计中可以通过添加相应的阻带滤波器或者设计具有阻带特性的超宽带天线实现。已有的阻带天线大都具有单一的阻带，不能对多个频点的信号进行抑制；或者，具有两个阻带的天线工作带宽受到影响而减小，不满足超宽带特性。因此，设计一种具有多阻带，超宽带工作带宽的天馈线成为亟待解决的问题。利用多阻带滤波器和具有单阻带特性的超宽带天线进行综合设计，可以很好的将两者合成一体，构成具有多阻带特性的单片天馈线系统。这种天馈线可以工作在很宽的频带，具有滤波特性的馈线结构和贴片刻蚀缝隙使天线在特定的频率上具有很大的输入电压驻波比，即对于相应频率的信号天线呈现截止，不工作的状态，从而起到减小甚至消除超宽带系统与其他通信系统间相互干扰的作用。最近出现的分裂环谐振器(Split RingResonators，SRRs)，是一种具有左手特性的新结构，具有小体积，高品质因数，可以平面化实现的特点，是用于小型化阻带滤波器的设计的较好选择。
发明内容
技术问题；本发明提出一种基于分裂环谐振器(SRRs)和贴片刻蚀缝隙混合技术的多阻带超宽带天线，不仅具有超宽带特性，而且对于多个频点的干扰信号有很好的抑制作用。该天线具有结构简单、体积小巧，满足平面电路集成的要求，并且具有成本低、便于批量生产等优点，因此适用于多种超宽带的应用场合。
技术方案：本发明的超宽带天线包含刻蚀缝隙圆盘天线和分裂环谐振器耦合微带结构馈线两部分，采用印刷电路板技术在微波介质基片上实现。刻蚀缝隙和分裂环谐振器耦合微带线结构，均可以产生特定频点的阻带。通过将两者相结合，从而产生多个阻带，构成具有多阻带特性的单片天馈线结构。
本发明的基于分裂环谐振器和贴片刻蚀缝隙混合技术实现多阻带超宽带天线包含刻蚀缝隙圆盘天线和分裂环谐振器耦合微带结构两部分，通过印刷电路板技术在微波介质基片上实现；分裂环谐振器耦合馈线由一块介质基片，和在介质基片上下表面覆盖的两层金属镀层共同构成；下表面金属镀层为馈线部分的地，上表面金属镀层包含有天线辐射单元、微带馈线、梯形阻抗变换线以及分裂环谐振器；其中，天线辐射单元采用圆盘天线，在天线辐射单元中设有一个与天线辐射单元同圆心的分裂环形缝隙，圆盘天线背后无金属地；馈线部分采用微带线形式，馈线部分与天线辐射单元之间通过梯形阻抗变换线进行阻抗匹配连接；分裂环谐振器包含有两对谐振器即第一谐振器、第二谐振器，对称分布于馈线两侧，每个谐振器由内外两个分裂环构成，内环的开口方向远离馈线，外环的开口方向靠近馈线，共同构成具有左手特性的谐振结构。分裂环形缝隙可以采用具有非闭合特性的矩形、椭圆、或者其他形状的缝隙。分裂环谐振器可以变更为正方形，几组谐振器的布局和尺寸可以根据需要调整，并且微带馈线可以根据需要进行弯曲设计。
本发明所设计天线具有超宽带天线工作带宽(2GHz-10.4GHz)，利用天线刻蚀缝隙和分裂环谐振器耦合馈线结构两种技术相结合实现多阻带特性。其中，利用刻蚀缝隙实现低频阻带，避免了设计相应频率的带阻滤波器，大大减小了天线体积；利用两组分裂环谐振器与馈线耦合结构，形成两个相对较高频率的阻带，避免了在天线辐射单元刻蚀多条缝隙对天线方向性等性能的影响。将该馈线与辐射单元相连，形成具有三阻带特性的超宽带天线。该天线设计基于平面印刷电路技术，采用微带线馈电，体积小巧，适合平面高度集成。
有益效果：
1.天线具有超宽带特性，可以满足超宽带通信系统要求；同时，天线可以产生三个频率的阻带，具有抗多频点干扰性能。
2.天线阻带的频率可以通过改变刻蚀缝隙长度或者分裂环谐振器的尺寸进行自由调节，即具有阻带可调性，因此可以满足一些干扰频率特殊场合的应用，也可以通过添加多条不同长度的缝隙或者多个不同大小的分裂环谐振器实现更多阻带特性。
3.利用刻蚀缝隙实现低频阻带，避免了相应频点带阻滤波器的设计，减小了电路体积；同时，分裂环谐振器具有左手结构特性，为子波长谐振结构，体积较普通谐振器明显缩小，并且具有高品质因数，可以产生尖锐的阻带特性。
4.天线整体体积小巧，采用微带线作为馈线，可以方便与微波平面电路高度集成，适合移动小型化设备使用。
5.整个天线的各部分集成为一体，结构简单，全部利用PCB工艺生产，成本低、精度高、重复性好，适合大批量生产。
附图说明
图1为本发明天线的结构示意图暨实施例1结构示意图，其中左为正面视图，中为侧面视图，右为分裂环谐振器耦合微带线结构示意图。图中mm为标记长度单位，
图2为实施实例1的反射系数测量结果，
图3为实施实例1的输入电压驻波比测量结果，
图4为实施例1的XOZ平面方向图，4条曲线分别是2、3、5、8GHz时的测试结果，
图5为实施例1的YOZ平面方向图，4条曲线分别是2、3、5、8GHz时的测试结果，
图6为实施例1的XOY平面方向图，4条曲线分别是2、3、5、8GHz时的测试结果，
以上的图中有：介质基片1，下表面金属镀层2，上表面金属镀层3，天线辐射单元4，微带馈线5，梯形阻抗变换线6，分裂环形缝隙7，分裂环谐振器8，第一谐振器9、第二谐振器10，内环9a，外环9b。
具体实施方式
本发明的基于分裂环谐振器和贴片刻蚀缝隙混合技术实现的多阻带超宽带天线，特别的刻蚀缝隙实现阻带并且不破坏天线整体性能。普通缝隙，例如单个线形、弧形，以及闭合形缝隙均会在2倍基频处产生寄生谐振。本发明所选用分裂环形缝隙7和分裂环谐振器8可以有效的避免寄生谐振产生，从而不至于影响天线整体的超宽带性能。并且上述缝隙可以进一步推广，具有类似非闭合特性的矩形，椭圆，或者其他形状的缝隙，也可以产生相似的作用。同时，本发明中天线辐射单元上仅刻蚀了一条缝隙，通过添加更多的相似缝隙，可以实现更多阻带的特性。
分裂环谐振器耦合馈线结构可以根据需要进行尺寸和布局上的调整。其中，分裂环谐振器可以变更为正方形，几组谐振器的布局可以根据需要调整，并且微带馈线可以根据需要进行弯曲设计以减小天线整体体积，只需保证谐振器与微带线为平行耦合即可。
通过改变分裂环谐振器的尺寸可以对谐振频率进行调节，进而可以对阻带频率控制。因此，通过添加更多不同尺寸的分裂环谐振器可以实现更多阻带的超宽带天线。此外，还可以通过在天线上增加刻蚀缝隙实现更多阻带，使得这一天线结构设计更加灵活。
基于分裂环谐振器和贴片刻蚀缝隙混合技术实现的多阻带超宽带天线(如图1所示)由一块介质基片1，和在介质基片上下表面覆盖的两层金属镀层共同构成。下表面金属镀层2为馈线部分的地，上表面金属镀层3包含有天线辐射单元4，微带馈线5以及分裂环谐振器8等几部分。其中，天线辐射单元4采用圆盘形式，圆盘背后无金属地2，圆盘上有分裂环形缝隙7。为了使馈线与辐射单元之间阻抗匹配，采用了梯形阻抗变换线6进行连接。分裂环谐振器与分裂环谐振器8包含有第一谐振器9、第二谐振器10，他们对称分布于馈线两侧。每个谐振器由内外两个分裂环构成。以第一谐振器9中的一个为例，由内环9a和外环9b共同构成，其中9a的开口方向远离馈线，而9b的开口方向靠近馈线。9a和9b共同构成具有左手特性的谐振结构。谐振器组，即第一谐振器9、第二谐振器10均含有两个谐振器，他们具有相似结构，仅尺寸不同，分别用于产生两个不同频率的阻带特性。加上由分裂环谐振器8的刻蚀缝隙产生的一个阻带，整体的天馈线结构就够成具有三阻带特性的超宽带天线。
实施例1基于分裂环谐振器和贴片刻蚀缝隙混合技术实现的多阻带超宽带天线。
天线结构如图1所示，尺寸单位均为mm。本实施实例的基片尺寸为47×68×1。实测天线反射系数，输入电压驻波比(VSWR)以及下XOZ、YOZ、XOY三个平面的方向图结果示于图2～图6。

Claims (3)

1.一种基于分裂环谐振器和贴片刻蚀缝隙的多阻带超宽带天线，其特征在于该天线包含刻蚀缝隙圆盘天线和分裂环谐振器耦合微带结构两部分，通过印刷电路板技术在微波介质基片上实现；分裂环谐振器耦合馈线由一块介质基片(1)，和在介质基片上下表面覆盖的两层金属镀层共同构成；下表面金属镀层(2)为馈线部分的地，上表面金属镀层(3)包含有天线辐射单元(4)、微带馈线(5)、梯形阻抗变换线(6)以及分裂环谐振器(8)；其中，天线辐射单元(4)采用圆盘天线，在天线辐射单元(4)中设有一个与天线辐射单元(4)同圆心的分裂环形缝隙(7)，圆盘天线背后无金属地；馈线部分(5)采用微带线形式，馈线部分(5)与天线辐射单元(4)之间通过梯形阻抗变换线(6)进行阻抗匹配连接；分裂环谐振器(8)包含有两对谐振器即第一谐振器(9)、第二谐振器(10)，对称分布于馈线两侧，每个谐振器由内外两个分裂环构成，内环的开口方向远离馈线，外环的开口方向靠近馈线，共同构成具有左手特性的谐振结构。
2.根据权利要求1所述的基于分裂环谐振器和贴片刻蚀缝隙的多阻带超宽带天线，其特征在于分裂环形缝隙(7)可以采用具有非闭合特性的矩形、椭圆、或者其他形状的缝隙。
3.根据权利要求1所述的基于分裂环谐振器和贴片刻蚀缝隙的多阻带超宽带天线，其特征在于分裂环谐振器(8)可以变更为正方形，几组谐振器的布局和尺寸可以根据需要调整，并且微带馈线可以根据需要进行弯曲设计。
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