CN102570020A - 一种矩形度良好和阻带带宽可控的超宽带陷波天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种矩形度良好和阻带带宽可控的超宽带陷波天线，包括基板，设置在基板正面上的地板一和地板二、天线辐射体、天线馈线以及缝隙槽一、缝隙槽二、缝隙槽三和缝隙槽四；天线馈线设置在基板正面的底端中部；相同的地板一和地板二对称设置在天线馈线两侧；缝隙槽一、缝隙槽二、缝隙槽三和缝隙槽四设置在天线辐射体的顶端之上且与天线辐射体的顶端之间有间距；缝隙槽一与缝隙二之间、缝隙三与缝隙四之间有耦合间距；缝隙一与缝隙三之间、缝隙二和缝隙四之间有耦合间距。本发明天线具有陷波的阻带带宽可控、阻带矩形度良好和通带匹配特性良好的特点，并且天线采用共面波导馈电结构，整体尺寸小，结构紧凑，空间利用率高。

Description

一种矩形度良好和阻带带宽可控的超宽带陷波天线

技术领域

本发明涉及无线通信用的天线技术领域，更具体地说，涉及一种小型平面具有陷波功能的超宽带天线。

背景技术

由于无线电通信设备和电子信息设备朝着多功能、小型化方向发展，超宽带(Ultra-wide Band，UWB)通信技术得到越来越多的研究和应用。超宽带无线通信技术具有结构简单、数据传输速率高、功耗低、安全性高、多径分辨能力强等优点。自从2002年2月美国联邦通信委员会(FCC)将3.1-10.6GHz频段划归超宽带(UWB)的民用频段，UWB无线通信系统的设计和应用便成为了无线通信领域激烈竞争的焦点。UWB尤其适合于室内等密集多径场所的高速无线接入和军事通信应用中。

作为超宽带系统的重要组成部分，超宽带天线是超宽带无线通信的关键技术之一，又是电子信息战中电子对抗设备的关键部件，还在冲激雷达等时域系统中获得了广泛应用。随着高速电子集成电路的快速发展，为适应小型集成化的需求，超宽带天线的设计也成为了科学界和工程界的热门研究课题，超宽带平面天线的研究与应用日益引人瞩目。

但是在UWB频段内(3.1～10.6GHz)存在其他无线窄带通信系统，比如3.3-3.6 GHz的WiMAX和5.15-5.825 GHz的WLAN等，它们和超宽带系统会形成相互干扰。为了减小UWB系统与其他无线通信系统的相互干扰，具有陷波功能的超宽带天线也被广泛研究，用来抑制超宽带系统和窄带系统之间潜在的干扰。近年来已经有许多具有陷波功能的超宽带天线相继被提出，其中大量的陷波结构都是通过在天线上开槽实现的。对于微带类超宽带天线，还可以通过在地板开槽或者馈线处加载谐振器来实现陷波功能，对于共面波导馈电超宽带天线，大部分陷波都是通过在辐射体上开槽实现。

传统的陷波超宽带天线主要有开槽、加谐振器以及同时开槽和加谐振器的方法来实现天线的陷波。可以在天线的辐射体或者地板上添加各种形状的槽线，如倒U形结构、在圆形单极天线上开两条缝隙、在平面天线结构中引入C形寄生元件等等。或者在馈线附近增加金属谐振器，添加SIR或者SRR谐振器结构是比较常用的方法。比较新型的陷波超宽带天线使用带阻滤波器结合天线单元来实现，例如使用U形超宽带天线，在U形天线切割区域内添加各种形状的带线或者加载枝节来实现陷波。

但是，这些方法只能形成一个或者多个陷波频率或者陷波带宽较窄，不能彻底抑制WLAN窄带系统对超宽带系统的干扰。并且由于阻带带宽不足，滤波效果较差，同时很多有用的频率也被浪费掉，而且这些结构的文献中很少有提及陷波结构对陷波带宽的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种矩形度良好和阻带带宽可控的超宽带陷波天线。很多的研究表明，陷波特性可以通过在天线辐射体上加载槽技术来实现。槽在谐振频率上的点长度等于半波长。把槽的长度调节到谐振频率半波长的长度，就可以得到该频率的带阻特性。当槽是开路的时候，它的长度则只需要四分之一波长。在陷波频率时，电流主要集中在槽的边缘附近，从而导致在该频率上产生驻波，在天线馈线段产生阻抗失配。为了实现超宽带天线的陷波阻带具有良好的选择性，多谐振槽被加载在天线辐射体或者馈线微带上。通过调节槽之间的耦合强度，则可以对陷波阻带进行可控调节。该天线具有结构紧凑、滤波效果好、通带匹配特性良好、阻带矩形度良好、阻带中心频率和阻带带宽可控等优点。

为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种矩形度良好和阻带带宽可控的超宽带陷波天线，其特征在于：包括基板，设置在基板正面上的是共面波导馈电的微带天线，包括地板一和地板二、天线辐射体、天线馈线以及缝隙槽一、缝隙槽二、缝隙槽三和缝隙槽四。天线馈线设置在基板正面的底端中部；相同的地板一和地板二对称设置在天线馈线两侧，地板一和地板二的顶端形成三角切片；沿中轴线对称分布的天线辐射体紧贴设置在地板一和地板二的顶端，天线辐射体的顶端呈圆弧形渐变结构；缝隙槽一、缝隙槽二、缝隙槽三和缝隙槽四设置在天线辐射体的顶端之上且与天线辐射体的顶端之间有间距；每个缝隙槽的总长度由以下公式确定：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}$

其中，ε_eff是有效介电常数，ε_r是基板的介电常数，L_槽是缝隙槽的长度，f_陷波是所需陷波的频率；

所述缝隙槽一与缝隙二之间、缝隙三与缝隙四之间有耦合间距；所述缝隙一与缝隙三之间、缝隙二和缝隙四之间有耦合间距。

在上述方案中，四个缝隙槽是用来实现WLAN无线局域网范围内的陷波阻带，上述方案可利用四个缝隙槽的耦合位置关系，有效地调节陷波阻带的带宽和矩形度。同时，缝隙槽的长度是一个重要的参数，缝隙槽的长度都对应于其谐振频率波长的1/2。

更具体地说，所述缝隙槽一由枝节一和枝节二相互垂直组成；所述缝隙槽三依次由枝节三、枝节四、枝节五和枝节六垂直连接组成，其中枝节三和枝节五与缝隙槽一的枝节二相互平行，枝节四和枝节六与缝隙槽一的枝节一相互平行。

所述缝隙槽二和缝隙槽四与缝隙槽一和缝隙槽三关于基板正面的纵中轴线的镜像对称。

为了更好地实现本发明，所述基板的正面为金属材料介质层。

本发明陷波天线的工作原理是这样的：缝隙槽二和缝隙槽四与缝隙槽一和缝隙槽三关于基板正面的纵中轴线的镜像对称，根据滤波器理论，相当于嵌入了两组带阻滤波器。调节四个缝隙槽之间的位置就能控制缝隙槽之间的耦合，从而控制陷波阻带的带宽。同时由于多个缝隙槽之间的位置耦合，相当于增加了多阶谐振器，可以让陷波阻带的矩形度效果变好。

与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：

1、陷波的阻带带宽可控。通过改变缝隙槽一和缝隙槽二之间耦合以及缝隙槽三和缝隙槽四之间耦合距离，可以改变陷波阻带的带宽，从而达到控制陷波阻带的效果。

2、陷波的阻带矩形度良好。通过控制缝隙槽一和缝隙槽三之间耦合以及缝隙槽二和缝隙槽四之间耦合距离，可以改变阻带陷波的矩形度；经过优化处理之后，可以得到矩形度良好的陷波阻带。

3、通带匹配特性良好。天线辐射体采用圆弧型渐变结构，使得天线能从一个频率谐振模式平缓的过渡到另外一个频率谐振模式，确保了天线在较宽的频率范围内可以得到很好的阻抗匹配效果。同时地板上的三角切片，用来得到最佳的天线输入阻抗匹配。

4、本发明专利中的超宽带陷波天线采用共面波导馈电结构，整体尺寸小，结构紧凑，空间利用率高。

附图说明

图1(a)是本发明矩形度良好和阻带带宽可控超宽带陷波天线的结构侧面示意图；

图1(b)是本发明矩形度良好和阻带带宽可控超宽带陷波天线的结构正面示意图；

图2是本发明矩形度良好和阻带带宽可控超宽带陷波天线的回波损耗响应曲线示意图；

图3是本发明矩形度良好和阻带带宽可控超宽带陷波天线的增益响应曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

实施例

本实施例以实现超宽带天线的陷波阻带范围为5.15GHz～5.825GHz为例进行说明。

本发明矩形度良好和阻带带宽可控超宽带陷波天线的结构示意图如图1(a)和图1(b)所示，包括高度为30mm，宽度为30mm，厚度为0.8mm，介电常数为4.4的基板11，还包括设置在基板11正面12上的天线馈线15、在天线馈线15两侧对称的地板一14a和地板二14b、天线辐射体112(112a和112b为半径是18mm的天线辐射体的圆弧型渐变结构)以及缝隙槽一、缝隙槽二、缝隙槽三和缝隙槽四。其中，基板11正面12为金属材料介质层，13为基板11的背面。天线馈线15设置在基板11正面12的底端中部；相同的地板一14a和地板二14b对称设置在天线馈线15两侧；天线辐射体112紧贴设置在地板一14a和地板二14b的顶端；缝隙槽一、缝隙槽二、缝隙槽三和缝隙槽四设置在天线辐射体112的顶端之上且与天线辐射体112的顶端之间有间距。

缝隙槽一由枝节一161和枝节二162垂直组成；缝隙槽三依次由枝节三181、枝节四182、枝节五183和枝节六184垂直连接组成，其中枝节三181和枝节五183与缝隙槽一的枝节二162相互平行，枝节四182和枝节六184与缝隙槽一的枝节一161相互平行。如图1所示，缝隙槽二和缝隙槽四与缝隙槽一和缝隙槽三关于基板正面的纵中轴线的镜像对称。缝隙槽二由枝节七171和枝节八172组成，缝隙槽四由枝节九191、枝节十192、枝节十一193和枝节十二194组成。本发明中，缝隙槽一、缝隙槽二、缝隙槽三和缝隙槽四，是用来实现WLAN无线局域网范围内的陷波阻带。

图1中，地板一14a和地板二14b的顶端形成三角切片，110a和111a是地板14a的三角切片，110b和111b是地板14b的三角切片，该设计可得到最佳的天线输入阻抗匹配。天线馈线15能有效地传送天线接收的信号，其畸变小、损耗小、抗干扰能力强，确保天线与接收信号输入端之间有良好的阻抗匹配。

本发明利用四个缝隙槽的耦合位置关系，可以调节陷波阻带的带宽和矩形度，每个缝隙槽的长度都对应于其谐振频率波长的1/2。本发明的工作原理是这样的：缝隙槽二和缝隙槽四与缝隙槽一和缝隙槽三关于基板正面的纵中轴线的镜像对称，根据滤波器理论，相当于嵌入了两组带阻滤波器。调节四个缝隙槽之间的位置就能控制槽线之间的耦合，从而控制陷波阻带的带宽。同时由于多个槽之间的位置耦合，相当于增加了多阶谐振器，可以让陷波阻带的矩形度效果变好。

在本实施例中，每个缝隙槽的总长度由公式由下式确定：

其中 ${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}---\left(2\right)$

ε_eff是有效介电常数，ε_r是基板的介电常数，L_槽是缝隙槽的长度，f_陷波是陷波的频率。利用HFSS仿真软件优化校正之后，缝隙槽一和缝隙槽二的长度为16.7mm，缝隙槽三和缝隙槽四的长度是17.3mm。调节缝隙槽一的枝节一161和缝隙槽二的枝节七171的间距，可以调节耦合的大小。当陷波阻带较宽时，则是因为耦合较强，可以调节枝节一161和枝节七171的间距变大来减小耦合，从而控制陷波阻带的带宽。同理，调节缝隙槽三的枝节六184和缝隙槽四的枝节十二194，也可以达到同样的效果来控制陷波阻带的带宽。调节缝隙槽一的枝节二162和缝隙槽三的枝节三181之间的间距，也可以调节耦合的大小，用来控制陷波阻带的矩形度，利用仿真软件HFSS可以优化得到枝节二162和枝节三181之间的合理间距，从而获得良好的陷波阻带矩形度。同理，调节缝隙槽二的枝节八172和缝隙槽四的枝节九191，也可以控制陷波阻带的矩形度。本发明的回波损耗响应和增益响应随频率变化的曲线如图2和图3所示。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种矩形度良好和阻带带宽可控的超宽带陷波天线，其特征在于：包括基板，设置在基板正面上的地板一和地板二、天线辐射体、天线馈线以及缝隙槽一、缝隙槽二、缝隙槽三和缝隙槽四；天线馈线设置在基板正面的底端中部；相同的地板一和地板二对称设置在天线馈线两侧，地板一和地板二的顶端形成三角切片；沿中轴线对称分布的天线辐射体紧贴设置在地板一和地板二的顶端，天线辐射体的顶端呈圆弧形渐变结构；缝隙槽一、缝隙槽二、缝隙槽三和缝隙槽四设置在天线辐射体的顶端之上且与天线辐射体的顶端之间有间距；每个缝隙槽的总长度由以下公式确定：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}$

其中，ε_eff是有效介电常数，ε_r是基板的介电常数，L_槽是缝隙槽的长度，f_陷波是所需陷波的频率；

所述缝隙槽一与缝隙二之间、缝隙三与缝隙四之间有耦合间距；所述缝隙一与缝隙三之间、缝隙二和缝隙四之间有耦合间距。

2.根据权利要求1所述的矩形度良好和阻带带宽可控的超宽带陷波天线，其特征在于：所述缝隙槽一由枝节一和枝节二相互垂直组成；所述缝隙槽三依次由枝节三、枝节四、枝节五和枝节六垂直连接组成，其中枝节三和枝节五与缝隙槽一的枝节二相互平行，枝节四和枝节六与缝隙槽一的枝节一相互平行。

3.根据权利要求1或2所述的矩形度良好和阻带带宽可控的超宽带陷波天线，其特征在于：所述缝隙槽二和缝隙槽四与缝隙槽一和缝隙槽三关于基板正面的纵中轴线的镜像对称。

4.根据权利要求1所述的矩形度良好和阻带带宽可控的超宽带陷波天线，其特征在于：所述基板的正面为金属材料介质层。

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