CN101557033B - 带反射零点的带陷uwb天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带反射零点的带陷UWB天线，在传统带陷UWB天线引入一对由两条λ4/4开路线构成带通桩和一对由两条λ3/4开路线构成带阻桩，该天线的圆单极子设有关于圆单极子微带线馈线对称的一对对称节点，所述带阻桩中的开路线均沿圆单极子边缘分布，且两条λ3/4开路线和两条λ4/4开路线分别关于圆单极子微带线馈线对称；以圆单极子微带线馈线为对称轴，该对称轴两侧的任一侧的λ3/4开路线、λ4/4开路线的一端通过该侧的一个对称节点短接在圆单极子上；所述λ3为所述反射极点的频率对应的波长，所述λ4为所述两个反射零点的频率对应的波长，λ4≤λ3。本发明的带陷UWB天线频域特性可控，制造简单，成本低廉，使用方便。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，更具体地涉及一种带反射零点的带陷UWB天线。
背景技术
当前，个人局域网(PAN)被视为未来第四代无线通信系统的核心。其中超宽带(UWB)技术由于抗干扰能力强、传输速率极快、系统容量大、功率消耗低和造价低廉而成为个人局域网实现的重要手段。由于UWB技术未经电信管理部门注册，而美国联邦通信委员会(FCC)所定义的工作的频带属于共享频带，其中包含已经注册的系统频带，如WLAN802.11a即是一例。为避免不必要的法律纠纷，现行的UWB系统往往需要采用滤波结构以抑制对已授权的系统的干扰。对UWB天线加带陷结构即成为一种重要的解决方案。
在现有的带陷UWB天线中，天线反射系数的阻带带宽不能控制，而实际中由于UWB系统的发射功率极低，即使是发射脉冲时瞬时功率也不过1W，而过宽又不必要的阻带会造成发射功率的不必要的浪费，因此对UWB天线阻带的控制就显得十分的重要了。由于工作频段为3.1-10.6GHz的UWB通信系统开发将随着第四代无线通信业务的来临而变得紧迫，而UWB系统作为一种未经注册的无线通信系统，在与占据相同的固定频段的已注册无线通信系统的纠纷间将处于不利地位；另一方面对发射功率的过度浪费也可能导致UWB系统更为复杂。为此阻带可控的UWB带陷天线的研发变得不可或缺。
目前国外对超宽带天线陷波结构的研究开展，还主要是集中在对天线辐射结构加槽实现的。该法产生的阻带带内性能优越，往往峰值驻波比可达50以上，而且加工比较方便，适于廉价推广。但是这一方法所产生的阻带过渡带往往非常宽，以驻波比2为标准时往往超过1GHz，而且其中低于驻波比值3的频段就经常宽达0.5GHz，而高于驻波比10的频段则往往在400MHz以内，作为窄带滤波结构非常地不经济，容易造成本来就紧张的脉冲功率进一步的不必要的衰减。
这其中比较有代表性的是INTEL无线通信实验室Seong-Youp Suh等人开发的共面波导接入的帆船天线、J.KIM开发的双谐振环槽矩面天线、都柏林技术研究所的X.L.Bao开发的H槽矩面天线、Hany M.Zamel的加槽矩面天线等等。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在上述不足，提供一种带反射零点的带陷UWB天线。其具有发射和接收脉冲电磁信号的能力，可作为PAN移动通信中的个人终端天线使用。
对天线加带阻结构的其中一个主要途径是加λ/4开路线以实现陷波，一般采用开槽工艺。对特定频率，由于对应电长度λ/4的开槽而使得该频段的电流在槽的两侧边缘反相，从而实现带阻。现有的这一陷波结构虽然能产生比较好的阻带特性和通带特性，但是其阻带过宽，而且不可控制。本发明利用传输线等效原理，在带阻桩与圆单极子连接的对称节点附近插入两段等长的并联λ/4开路线(以下简称带通桩)，从而实现λ/4开路线匹配法的应用，即在所需要的频率处产生反射零点，以此实现对阻带带宽的控制。本发明具体通过如下技术方案实现：
一种带反射零点的带陷UWB天线，包括一个圆单极子、圆单极子微带线馈线、地板、介质基板，圆单极子紧贴于介质基板的一面上，圆单极子微带线馈线与圆单极子连接且处于同一平面上，地板位于介质基板的另一面上且正对圆单极子微带线馈线，该UWB天线还包括由两条λ3/4开路线构成的引入一个反射极点以实现带阻功能的带阻桩，以及由两条λ4/4开路线构成的引入反射零点的带通桩；所述两条λ4/4开路线引入一个反射零点；圆单极子设有关于圆单极子微带线馈线对称的一对对称节点，所述带阻桩中的开路线均沿圆单极子边缘分布，且两条λ3/4开路线、两条λ4/4开路线关于圆单极子微带线馈线对称；以圆单极子微带线馈线为对称轴，该对称轴两侧的任一侧的λ3/4开路线和λ4/4开路线的一端通过该侧的一个对称节点短接在圆单极子上，该三条开路线的另一端均为开路端；所述λ3为所述反射极点的频率对应的波长，所述λ4为所述反射零点的频率对应的波长，λ4≤λ3。
上述的带反射零点的带陷UWB天线中，所述圆单极子通过圆单极子微带线馈线连接至射频收发装置，实现与收发机间的连接。
上述的带反射零点的带陷UWB天线中，所述圆单极子微带线馈线为特征阻抗50Ω的微带线。
上述的带反射零点的带陷UWB天线中，所述带通桩的λ4/4开路线围绕于圆单极子的边缘且与圆单极子之间留有间隙；λ3/4开路线围绕于圆单极子的边缘且与圆单极子之间留有间隙；所述对称轴两侧的任一侧中，从所述对称节点开始，λ3/4开路线的走向沿圆单极子边缘朝向微带线馈线，λ4/4开路线的走向与λ3/4开路线的走向相反。
上述的一种带反射零点的带陷UWB天线，也可在省略地板的同时引入CPW结构，以实现与收发机间的连接。
本发明相对于现有技术具有如下优点和效果：
本发明所采用的带反射零点的带陷UWB天线是普通带陷UWB天线的变型。本发明克服已有带陷天线阻带带宽不可控的问题，只需引入一对由两条λ4/4开路线构成带通桩和一对由两条λ3/4开路线构成带阻桩，便可在不改变阻带内的特性的前提下实现对阻带的控制，其结构简单、紧凑、体积小、能实现可控的阻带带宽，适应功率有限的带陷UWB无线通信系统的带宽要求。本发明便于改变阻带的带宽，容易达到更窄的有效带阻频带，获得更高的功率利用率。用它来实现阻带带宽的控制，可提供满意的效果。这种结构与普通带陷UWB天线工作机理一致，只是引入了一个反射零点以对阻带带宽加以限制。因此，相对于普通的带陷UWB天线而言，增加了调节的灵活度，便于在不改变阻带内的特性的前提下实现对阻带的控制，容易实现不同频率要求的频带控制，获得所需要的带阻特性。其经过优化的带阻特性要优于普通的带陷UWB天线。本发明的带陷UWB天线频域特性可控，制造简单，成本低廉，使用方便。这种天线适用于对超宽带天线陷波特性可控的需要。
附图说明
图1为实施方式中的一种带反射零点的带陷UWB天线示意图。
图2为图1所示带反射零点的带陷UWB天线背面视图。
图3为图1所示带陷UWB天线的正面视图。
图4为实施方式中的另一种带反射零点的带陷UWB天线示意图。
具体实施方式
结合以上附图，对本发明作进一步的详细描述：
图1所示的带反射零点的带陷UWB天线的具体结构关系如下：该带陷UWB天线包括一个圆单极子1、圆单极子微带线馈线2、地板7、介质基板8，圆单极子1紧贴于介质基板8的一面上，圆单极子微带线馈线2与圆单极子1连接且处于同一平面上，地板7位于介质基板8的另一面上且正对圆单极子微带线馈线2，该UWB天线还包括由两条λ3/4开路线构成的引入一个反射极点以实现带阻功能的带阻桩3，以及由两条λ4/4开路线构成的引入一个反射零点的带通桩；所述两条λ4/4开路线引入一个反射零点；圆单极子1设有关于圆单极子微带线馈线2对称的一对对称节点6，所述带阻桩3中的开路线均沿圆单极子边缘分布，且两条λ3/4开路线、两条λ4/4开路线关于圆单极子微带线馈线2对称；以圆单极子微带线馈线2为对称轴，该对称轴两侧的任一侧的λ3/4开路线、λ4/4开路线的一端通过该侧的一个对称节点6短接在圆单极子1上，该三条开路线的另一端均为开路端；所述λ3为所述反射极点的频率对应的波长，所述λ4为所述反射零点的频率对应的波长，λ4≤λ3。
图4所示的带反射零点的带陷UWB天线的具体结构关系如下：该带陷UWB天线包括一个圆单极子1、圆单极子微带线馈线2、CPW结构5、介质基板8，圆单极子1紧贴于介质基板8的一面上，圆单极子微带线馈线2与圆单极子1连接且处于同一平面上，地板7位于介质基板8的另一面上且正对圆单极子微带线馈线2，该UWB天线还包括由两条λ3/4开路线构成的引入一个反射极点以实现带阻功能的带阻桩3，以及由两条λ4/4开路线构成的引入反射零点的带通桩；所述两条λ4/4开路线引入一个反射零点；圆单极子1设有关于圆单极子微带线馈线2对称的一对对称节点6，所述带阻桩3中的开路线均沿圆单极子边缘分布，且两条λ3/4开路线、两条λ4/4开路线关于圆单极子微带线馈线2对称；以圆单极子微带线馈线2为对称轴，该对称轴两侧的任一侧的λ3/4开路线、λ4/4开路线的一端通过该侧的一个对称节点6短接在圆单极子1上，该三条开路线的另一端均为开路端；所述λ3为所述反射极点的频率对应的波长，所述λ4为所述反射零点的频率对应的波长，λ4≤λ3。
图4所述的电气结构均集中在介质板一面，但带通桩允许在一端短接于对称节点6的基础上贯穿介质基板8布置在介质板一面的平行面上。辐射特性基本由圆单极子决定，并随开路线宽度的变化做小程度的畸变。通过调整带阻桩的电长度调节阻带的中心频率(此处即调整带阻桩所占据的弧度)，而调整带开路桩的宽度使之在阻带对应的中心频率条件下阻抗失配(使之接近开路或短路)，并通过调整带阻桩与圆单极子之间的间距调节磁耦合系数，就能实现对阻带性能的调整。类似地，可以调整带通桩的物理尺寸，包括其电长度和宽度，使之在指定的频点实现阻抗匹配，从而造成反射零点，限定天线的阻带特性。
如图3所示，上述电气结构中除了地板结构外，均集中在介质板一面，但带通桩允许在一端短接于对称节点6的基础上贯穿介质基板8布置在介质板一面的平行面上。辐射特性基本由圆单极子决定，并随开路线宽度的变化做小程度的畸变。通过调整带阻桩的电长度调节阻带的中心频率(此处即调整带阻桩所占据的弧度)，而调整带开路桩的宽度b使之在阻带对应的中心频率条件下阻抗失配(使之接近开路或短路)，并通过调整带阻桩与圆单极子之间的间距调节磁耦合系数，就能实现对阻带性能的调整。类似地，可以调整带通桩的物理尺寸，包括其电长度和宽度，使之在指定的频点实现阻抗匹配，从而造成反射零点，限定天线的阻带特性。下面为本实施方式中的一个实例：
如图1所示，介质板8采用FR4材质，介质板厚度为1.6mm，介质板宽度为35mm，介质板长度为40mm。如图2、图3所示，圆单极子1半径为10mm。特征阻抗50Ω微带结构圆单极子馈线2宽为3mm，圆单极子馈线2长为10mm。包括带阻桩3和带通桩4的所有开路桩沿z轴对称分布，以右侧为基础记录数据。带阻桩3所占角度为-18度至22.5度，宽度为3.3mm，外径为13.5mm。带阻桩3与圆单极子1间隙为0.2mm。带通桩4所占角度为22.5度至83度，宽度为0.9mm，外径为11.1mm。连接带阻桩3与圆单极子1之间的对称节点6宽为2mm。
Claims (8)
1.一种带反射零点的带陷UWB天线，包括一个圆单极子(1)、圆单极子微带线馈线(2)、地板(7)、介质基板(8)，圆单极子(1)紧贴于介质基板(8)的一面上，圆单极子微带线馈线(2)与圆单极子(1)连接且处于同一平面上，地板(7)位于介质基板(8)的另一面上且正对圆单极子微带线馈线(2)，其特征在于还包括由两条λ3/4开路线构成的引入一个反射极点以实现带阻功能的带阻桩(3)，以及由两条λ4/4开路线构成的引入反射零点的带通桩；所述两条λ4/4开路线引入一个反射零点；圆单极子(1)设有关于圆单极子微带线馈线(2)对称的一对对称节点(6)，所述带阻桩(3)中的开路线均沿圆单极子边缘分布，且两条λ3/4开路线和两条λ4/4开路线分别关于圆单极子微带线馈线(2)对称；以圆单极子微带线馈线(2)为对称轴，该对称轴两侧的任一侧的λ3/4开路线、λ4/4开路线的一端通过该侧的一个对称节点(6)短接在圆单极子(1)上，该两条开路线的另一端均为开路端；所述λ3为所述反射极点的频率对应的波长，所述λ4为所述反射零点的频率对应的波长，λ4≤λ3。
2.根据权利要求1所述的带反射零点的带陷UWB天线，其特征在于所述圆单极子(1)通过圆单极子微带线馈线(2)连接至射频收发装置。
3.根据权利要求2所述的带反射零点的带陷UWB天线，其特征在于所述圆单极子微带线馈线(2)为特征阻抗50Ω的微带线。
4.根据权利要求3所述的带反射零点的带陷UWB天线，其特征在于所述带通桩(4)的λ4/4开路线围绕于圆单极子的边缘且与圆单极子之间留有间隙；λ3/4开路线围绕于圆单极子的边缘且与圆单极子之间留有间隙；所述对称轴两侧的任一侧中，从所述对称节点(6)开始，λ3/4开路线的走向沿圆单极子边缘朝向微带线馈线(2)，λ4/4开路线的走向与λ3/4开路线的走向相反。
5.一种带反射零点的带陷UWB天线，包括一个圆单极子(1)、圆单极子微带线馈线(2)、CPW结构(5)和介质基板(8)，圆单极子(1)紧贴于介质基板(8)的一面上，圆单极子微带线馈线(2)与圆单极子(1)连接，无短接地嵌入CPW结构(5)中，且微带线馈线(2)、圆单极子(1)和CPW结构(5)处于同一平面上，其特征在于还包括由两条λ3/4开路线构成的引入一个反射极点以实现带阻功能的带阻桩(3)，以及由两条λ4/4开路线构成的引入反射零点的带通桩；所述两条λ4/4开路线引入一个反射零点；圆单极子(1)设有关于圆单极子微带线馈线(2)对称的一对对称节点(6)，所述带阻桩(3)中的开路线均沿圆单极子边缘分布，且两条λ3/4开路线和两条λ4/4开路线分别关于圆单极子微带线馈线(2)对称；以圆单极子微带线馈线(2)为对称轴，该对称轴两侧的任一侧的λ3/4开路线、λ4/4开路线的一端通过该侧的一个对称节点(6)短接在圆单极子(1)上，该两条开路线的另一端均为开路端；所述λ3为所述反射极点的频率对应的波长，所述λ4为所述反射零点的频率对应的波长，λ4≤λ3。
6.根据权利要求5所述的带反射零点的带陷UWB天线，其特征在于所述圆单极子(1)通过圆单极子微带线馈线(2)连接至射频收发装置。
7.根据权利要求6所述的带反射零点的带陷UWB天线，其特征在于所述圆单极子微带线馈线(2)为特征阻抗50Ω的微带线。
8.根据权利要求7所述的带反射零点的带陷UWB天线，其特征在于所述带通桩(4)的λ4/4开路线围绕于圆单极子的边缘且与圆单极子之间留有间隙；λ3/4开路线围绕于圆单极子的边缘且与圆单极子之间留有间隙；所述对称轴两侧的任一侧中，从所述对称节点(6)开始，λ3/4开路线的走向沿圆单极子边缘朝向微带线馈线(2)，λ4/4开路线的走向与λ3/4开路线的走向相反。
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