CN101252219B - 基于三段型阶梯阻抗谐振器实现多阻带超宽带天线 - Google Patents

Abstract

三段型阶梯阻抗谐振器耦合馈线实现的多阻带超宽带天线包括一块介质基片(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)、馈线(5)以及三段型阶梯阻抗谐振器(8)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)分布，该形式具有超宽带特性；馈线(5)采用微带线形式，馈线(5)、三段型阶梯阻抗谐振器(8)、梯形阻抗变换线(6)、天线辐射单元(4)串联连接，通过梯形阻抗变换线(6)进行阻抗匹配；三段型阶梯阻抗谐振器(8)的馈线部分采用了直转角(7)形式实现部分耦合。

Description

基于三段型阶梯阻抗谐振器实现多阻带超宽带天线

技术领域

本发明是一种适用于抗多频率信号干扰的多阻带滤波器与超宽带(Ultra-Wideband，UWB)天线综合设计的技术。所设计天线包含圆盘天线和三段阶梯阻抗谐振器(Stepped Impedance Resonators SIRs)耦合馈线结构两部分，具有超宽带天线工作带宽(1.7GHz-9.6GHz)。

背景技术

随着通信技术的发展，已有的频带资源越来越紧张，特别是10GHz以下的频段，拥挤着大量不同种类的通信业务。这些通信业务之间存在频带的重叠和覆盖现象，由此所引起的系统间干扰成为亟需解决的问题。其中，几乎占据了10GHz以下所有频带的超宽带系统(例如美国FCC认定的UWB频带为3.1GHz-10.6GHz)，就和其他多个无线系统间存在特定频率的重叠问题。例如，无限局域网WLAN的5.8GHz频带信号和WiMAX的3.5GHz和5.8GHz频带的信号。如果超宽带系统工作频带更宽，例如从2GHz-10GHz，则相应需要考虑的干扰频率信号就更多，诸如：WLAN的2.4GHz/5.8GHz信号，以及固定宽带无线接入(FBWA)3.5GHz信号等。这些与超宽带系统存在频带重叠的通信系统，都可能成为潜在的干扰源。为了避免这些潜在的信号干扰，同时保护各个通信系统的正常工作，可以通过在通信系统中添加相应的阻带滤波器或者设计具有阻带特性的天线实现。其中，将多阻带滤波器和超宽带天线综合设计可以很好的将两者合成一体，构成具有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。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，超宽带工作带宽的小型化天馈线成为亟待解决的问题。

另一方面，三段型阶梯阻抗谐振线具有体积小和前三个谐振频率单独可控的性质，可以用于设计多阻带的滤波器。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种采用平面印刷电路工艺实现的基于三段阶梯阻抗谐振器实现多阻带超宽带天线，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，因此适用于多种抗干扰的超宽带应用场合。

技术方案：所设计天线包含圆盘天线和三段阶梯阻抗谐振器耦合馈线结构两部分，具有超宽带工作带宽(1.7GHz-9.6GHz)。同时，通过三段阶梯阻抗谐振器与馈线相耦合，构成具有多个阻带的滤波器，将该滤波器与圆盘天线级联，就能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。本发明的超宽带天线包含圆盘天线和三段型阶梯阻抗谐振器耦合微带线构成的馈线两部分，通过印刷电路板技术在微波介质基片实现。三段型阶梯阻抗谐振器耦合微带线结构，可以产生多个特定频点的阻带。同时，三段型阶梯阻抗谐振器具有成熟的设计公式，因此，在多阻带天线设计中可以大大简化设计过程。

本发明采用如下技术方案：

本发明的三段型阶梯阻抗谐振器耦合馈线实现的多阻带超宽带天线包括一块介质基片，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、馈线以及三段型阶梯阻抗谐振器几部分；其中，天线辐射单元采用圆盘形式，圆盘背后无金属地分布，该形式具有超宽带特性；馈线采用微带线形式，馈线、三段型阶梯阻抗谐振器、梯形阻抗变换线、天线辐射单元串联连接，通过梯形阻抗变换线进行阻抗匹配；三段型阶梯阻抗谐振器的馈线部分采用了直转角形式实现部分耦合。

三段型阶梯阻抗谐振器包括三组微带线即第一组微带线、第二组微带线、第三组微带线；第一组微带线、第二组微带线、第三组微带线分别具有不同的特征阻抗和电长度，阻抗和电长度呈现对称分布的特点。第二组微带线为了减小天线的整体体积，采用直转角设计。

谐振器的一部分和微带线相耦合，通过调节谐振器各段的阻抗和电长度可以实现三个不同频率的阻带特性。因此，整体的天馈线结构就够成具有三阻带特性的超宽带天线。

有益效果：本发明具有如下优点：

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利用三段型阶梯阻抗谐振器设计公式进行计算得出谐振器的结构尺寸，因此具有阻带可调性，因此可以满足一些干扰频率特殊场合的应用。

3.天线的三个阻带可以通过一个单一的三段型阶梯阻抗谐振器设计实现，谐振器本身具有体积小巧的特点，并且可以弯曲布局，适合天线的小型化设计。

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为三段型阶梯阻抗谐振器耦合馈线实现多阻带超宽带天线的结构示意图，其中图1a为正面结构示意图，图1b为侧面结构示意图。

图2为实施实例1的输入电压驻波比测量结果(实线为测量结果，虚线为仿真结果)。

图3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4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5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，馈线部分5、含梯形阻抗变换线6、直转角7，阶梯阻抗谐振器耦合馈线结构8、第一组微带线9、第二组微带线10、第三组微带线11。

具体实施方式

本发明的多阻带特性由一个三段型阶梯阻抗谐振线耦合馈线结构实现，而天线的超宽带特性则取决于辐射单元。因此，有较多种形式的辐射单元可供选择，诸如：矩形，三角形，圆形，半圆形等。将这些具有超宽带特性的辐射单元与阶梯阻抗谐振器耦合馈线结构相结合均可实现多阻带超宽带天线。阻带的频率可以通过对阶梯阻抗谐振器物理尺寸的调节进行改变，并且有成熟的设计公式，这就使得设计工作大为简化。此外，三段型阶梯阻抗谐振线耦合馈线结构可以根据设计需要进行形状和布局上的调整，以满足电路小型化和紧凑布局的要求。

三段型阶梯阻抗谐振器耦合馈线实现的多阻带超宽带天线包括一块介质基片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、馈线5以及三段型阶梯阻抗谐振器8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分布，该形式具有超宽带特性；馈线5采用微带线形式，馈线5、三段型阶梯阻抗谐振器8、梯形阻抗变换线6、天线辐射单元4串联连接，通过梯形阻抗变换线6进行阻抗匹配；三段型阶梯阻抗谐振器8的馈线部分采用了直转角7形式实现部分耦合。

实施例1三段型阶梯阻抗谐振器耦合馈线实现多阻带超宽带天线。

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46×57×1。实测天线输入电压驻波比(VSWR)以及下XOZ、YOZ、XOY三个平面的方向图结果示于图2～图5。

Claims (3)

1.一种三段型阶梯阻抗谐振器耦合馈线实现的多阻带超宽带天线，其特征在于该天线包括一块介质基片(1)，和在介质基片上下表面覆盖的两层金属镀层；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)、馈线(5)以及三段型阶梯阻抗谐振器(8)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)分布，该形式具有超宽带特性；馈线(5)采用微带线形式，馈线(5)、三段型阶梯阻抗谐振器(8)、梯形阻抗变换线(6)、天线辐射单元(4)串联连接，通过梯形阻抗变换线(6)进行阻抗匹配；三段型阶梯阻抗谐振器(8)的馈线部分采用了直转角(7)形式实现部分耦合。

2.根据权利要求1所述的三段型阶梯阻抗谐振器耦合馈线实现的多阻带超宽带天线，其特征在于三段型阶梯阻抗谐振器(8)包括三组微带线即第一组微带线(9)、第二组微带线(10)、第三组微带线(11)；第一组微带线(9)、第二组微带线(10)、第三组微带线(11)分别具有不同的特征阻抗和电长度，阻抗和电长度呈现对称分布的特点。

3.根据权利要求2所述的三段型阶梯阻抗谐振器耦合馈线实现的多阻带超宽带天线，其特征在于第二组微带线(10)为了减小天线的整体体积，采用直转角设计。

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