CN101242028B - 基于非对称刺状线的双阻带超宽带天线 - Google Patents

Abstract

基于非对称刺状线的双阻带超宽带天线，用于无线通信技术领域。该天线包括介质板(1)和位于介质板(1)两面的金属印刷天线；其中在介质板(1)的正面设有微带馈电端口(2)、微带馈线(3)、非对称刺状线(4)、微带辐射单元(5)，微带馈线(3)位于介质板(1)的中轴线上，在微带馈线(3)的上部连接有微带辐射单元(5)，在微带馈线(3)的下部为微带馈电端口(2)，在微带馈线(3)的中部的两侧设有非对称刺状线(4)；在介质板(1)背面的下部设有接地单元(6)。本发明能够有效覆盖FCC的要求频段，即3.1～10.6GHz，同时在频带内能够产生两个阻带。本发明具有成本低、结构简单、体积小的特点。

Description

基于非对称刺状线的双阻带超宽带天线

技术领域

本发明涉及一种可应用于短距离无线通信，数据传输的超宽带天线技术，该类天线可有效地解决宽带通信系统受其它现有窄带通信系统信号干扰的问题。

背景技术

近几年来，超宽带(UWB)短距离无线通信引起了全球通信技术领域极大地重视。超宽带通信技术以其传输速率高、抗多径干扰能力强、高保密性、有利于多功能一体化等优点成为短距离无线通信极具竞争力和发展前景的技术之一。2002年2月FCC对超宽带使用发布无许可证使用后，超宽带技术迅速成为国际无线通信领域研究开发的一个热点，并被视为下一代无线通信的关键技术之一。IEEE 802.15.3a标准分配3.1～10.6频段给超宽带通信系统使用，与此相应的超宽带天线亦成为研究的热点之一。早期的超宽带天线如脊波导喇叭天线、对数周期天线等的尺寸往往很大，不能满足超宽带系统小型化的要求。最近几年发展起来的印刷天线技术可以大大地缩小超宽带天线的尺寸，并且具有成本低，易于设计和加工等优点，因此得到了人们的普遍关注。

最近几年来，为了防止超宽带系统受到频带内其他窄带通信系统的干扰，超宽带天线的研究转向如何使得天线具有阻带功能，从而省去天线下一级的滤波器，简化超宽带的系统结构。如今比较常用的方法有：在天线的辐射单元上开槽，如U形，V形和L形等；在天线的馈电单元加载圆形或者方形的谐振单元；设计工作在不同频带的天线相互形成阻带。但这些方法都存在局限性，比如天线体积较大，不利于系统集成；阻带中心频率不易调节；很多天线只具有一个阻带等。

非对称刺状线(Asymmetrical spurlines)可以用来设计性能优良的带阻滤波器，且易于和微带线集成，不会占用额外的空间，阻带的中心频率非常易于调节，因此非常适合应用于超宽带天线的设计当中，从而制作出体积小，成本低，具有双阻带且阻带中心频率易于调节的超宽带天线。

发明内容

技术问题：本发明提出了一种具有双阻带功能的超宽带天线及其设计方法，它通过在微带馈线上蚀刻出一对非对称的刺状线使得天线产生两个阻带，该天线具有成本低，体积小，易于加工和性能好等优点，可以应用于超宽带系统收发机之中。

技术方案：本发明提出的基于非对称刺状线的双阻带超宽带天线包括介质板和位于介质板上下表面的金属印刷天线；其中在介质板的正面设有微带馈电端口、微带馈线、非对称刺状线、微带辐射单元，微带馈线位于介质板的中轴线上，在微带馈线的上部连接有微带辐射单元，在微带馈线的下部为微带馈电端口，在微带馈线的中部的两侧设有非对称刺状线；在介质板背面的下部设有接地单元。非对称刺状线由在微带馈线上蚀刻出一对L型槽而构成，且两条刺状线的长度不同。接地单元为半圆形的变形，半圆形的顶部向上，在中间有一缺口。微带辐射单元为半圆环的变形，开口向上。

该超宽带天线包括印刷电路板(PCB板)和固定在其上下表面的金属层。位于PCB板上表面的金属层包括辐射单元和微带馈线两部分，其中微带馈线上蚀刻出一对非对称刺状线。辐射单元由两个四分之一圆环附着在微带馈线上构成，这种近似于半圆环形的结构可以有效地增加天线的工作带宽。微带馈线上蚀刻出的非对称刺状线均为L型的开槽，两者宽度相同，但是长度不同，其长度直接决定了阻带的中心频率，此种结构可以产生两个阻带。微带馈线的长度应大于非对称刺状线的长度，便于两者的结合，此种结构在不增大天线的体积的同时使得天线具有了双阻带的功能。

位于PCB板下方的金属层为地平面，与微带馈线一起构成微波电路，引导电磁波往辐射单元传播，此时在阻带中心频率附近的电磁波受到非对称刺状线的滤波作用，不能有效传播，能量大部分被反射回来，无法通过辐射单元传播出去，因而形成阻带。地平面的基本形状为两个四分之一圆外加若干矩形单元，这种结构的地平面和近似半圆环的辐射单元组合可以大大增加天线的工作带宽，实现超宽带工作的目标。为了最大限度地利用天线有限的尺寸，扩展其带宽，在地平面的顶部增加了缺口，这种措施可以令天线的工作带宽进一步扩大。

PCB板采用低成本，低介电常数的介质板，如FR4等。

有益效果：采用最简单和最成熟的PCB加工工艺，在保持原天线的体积不变的情况下增加了阻带功能，整个天线的面积只有3×3cm²左右，易于集成。仿真和实测的结果表明，天线具有很强的实用性。

附图说明

下面结合附图，对本发明做出详细描述：

图1是天线整体效果图。其中实线所示为正面结构，虚线所示为背面结构。

图2是天线VSWR测试结果。

图3是天线方向图测试结果(a)3GHz，(b)7GHz，(c)9.5GHz。

图4是天线增益测试结果。

图中，介质板1，微带馈电端口2，微带馈线3，非对称刺状线4，微带辐射单元5，接地单元6，缺口7。

具体实施方式

参见图1，表示现有的超宽带天线的结构示意图，实线所示为正面结构，虚线所示为背面结构。天线是单极子天线，其中介质板1采用FR4板材，介电常数为4.4，此种板材成本非常低廉，可以极大降低天线的成本，板材的厚度为0.8mm。微带馈电端口2为能量的输入口，与50Ω特征阻抗的SMA接头相接，微带馈线的宽度需要合理设计，使得馈线端的特征阻抗与SMA接头相匹配。非对称刺状线4通过在微带线上蚀刻而成，其开槽的宽度影响了阻带的宽度，一般说来，槽越宽，阻带宽度越大；刺状线的长度决定了阻带的位置，长度越长，阻带中心频率越低。辐射单元5和地平面6的组合使得天线具有超宽带工作的特点，地平6上的缺口7可以进一步增大天线的工作带宽。

参见图2，是天线VSWR的测试结果。从图中可以看到，该天线在2.15～12GHz的工作带宽(VSWR＜2)内具有两个阻带，分别为3.5～4.1GHz和5.0～6.3GHz(VSWR＞2)，阻带的中心频率分别为3.85GHz和5.5GHz。

参见图3，是天线的实测方向图，选取了三个频点3GHz，7GHz，9.5GHz，E面方向图基本上呈苹果状，H面基本为圆形，可以看出天线在整个工作频带内工作状态比较稳定。

参见图4，是实测的天线增益，可以看出，天线在阻带内增益很低，实现了滤除其他频带干扰的目的。

综上所述，根据本发明，可以保持系统性能的稳定，同时滤除来自其他频带内的干扰信号，而系统的体积并没有增加。

Claims (3)

1.一种基于非对称刺状线的双阻带超宽带天线，其特征在于该天线包括介质板(1)和位于介质板(1)两面的金属印刷天线；其中在介质板(1)的正面设有微带馈电端口(2)、微带馈线(3)、非对称刺状线(4)、微带辐射单元(5)，微带馈线(3)位于介质板(1)的中轴线上，在微带馈线(3)的上部连接有微带辐射单元(5)，在微带馈线(3)的下部为微带馈电端口(2)，在微带馈线(3)的中部的两侧设有非对称刺状线(4)；在介质板(1)背面的下部设有接地单元(6)；

非对称刺状线(4)由在微带馈线(3)上蚀刻出一对L型槽而构成，且两条刺状线的长度不同。

2.根据权利要求1所述的基于非对称刺状线的双阻带超宽带天线，其特征是：接地单元(6)为半圆形的变形，半圆形的顶部向上，在中间有一缺口(7)。

3.根据权利要求1所述的基于非对称刺状线的双阻带超宽带天线，其特征是：微带辐射单元(5)为半圆环的变形，开口向上。

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