CN102570023A - 具有四陷波特性的超宽带天线 - Google Patents

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李桐
李桂红
李龙
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Abstract

本发明公开了一种具有四陷波特性的超宽带天线。该天线包括：介质基板(1)、辐射单元(2)、共面波导接地面(3)和共面波导馈电微带线(4)；辐射单元(2)、共面波导接地面(3)和共面波导馈电微带线(4)均印制在介质基板(1)的正表面上；辐射单元(2)上刻蚀有两个互补开口谐振环(5)和(6)；共面波导接地面(3)设为两个，分别位于共面波导馈电微带线(4)两侧，该共面波导接地面(3)上刻蚀有两对倒L型缝隙(7)和(8)；所述开口谐振环(5)、(6)和倒L型缝隙(7)、(8)形成四个陷波频段。本发明的工作频段覆盖2-12GHz，能很好的抑制超宽带工作频段内的干扰信号，可用于超宽带无线通信。

Description

具有四陷波特性的超宽带天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别是一种具有四陷波特性的超宽带天线，应用于超宽带无线通信系统。
背景技术
超宽带UWB技术是一种新型的无线通信技术，具有传输速率高、功耗低、系统结构简单等特点，因而成为近年来无线通信的研究热点之一。作为超宽带通信系统的关键部件，超宽带天线的特性将直接影响系统的传输性能，对其的研究设计具有重要意义。2002年美国联邦通信委员会FCC批准将3.1-10.6GHz作为超宽带系统的工作频段，然而这个频段内可能存在有一些无线通信系统的窄带干扰信号，比如频段位于3.3-3.6GHz的全球微波互联接入WiMax和频段位于2.4GHz附近、5.15-5.35GHz、5.725-5.825GHz的无线局域网WLAN等。因此，超宽带天线必须在这些频段产生陷波，以避免可能存在的干扰问题。为了抑制超宽带系统与窄带系统之间的潜在干扰，通常需要在超宽带系统内引入带阻滤波器，但这无疑将增大系统的体积、复杂度以及成本。
另一种简单有效的方法是在超宽带天线中引入陷波结构，使天线在干扰频段内产生较大的反射，抑制干扰频段信号的传输。陷波结构包括在天线的辐射单元或地板上刻蚀不同形状的缝隙，或者在天线结构中引入寄生枝节等。例如专利申请号为201020271241.7，专利名称为《一种具有滤除干扰信号功能的超宽带天线》的中国专利，提出了一种具有单个陷波特性的超宽带天线，天线的辐射单元为一微带馈电的扇形单极子，由此单极子产生超宽带特性，天线覆盖频段3GHz-10.6GHz，同时在扇形单极子上开了一个U型缝隙，该缝隙在4.85-5.95GHz频段形成陷波，但此发明仅仅滤除了WLAN一个频段信号的干扰。又如专利申请号为201020531935.X，专利名称为《带有陷波特性的超宽带天线》的中国专利，提出了一种具有双陷波特性的超宽带天线，该天线由微带馈电的矩形辐射单元及共面波导接地面构成，通过在辐射单元和地板上分别刻蚀双U型槽及矩形槽形成了3.8GHz-6GHz、7.5GHz-9GHz两个陷波波段，但此发明中陷波频段带宽过宽，远超出了干扰信号的频段范围，这无疑造成了超宽带天线本身工作频段的缩减。再如文献″Planar Ultrawideband Antennas With MultipleNotched Bands Based on Etched Slots on the Patch and/or Split Ring Resonatorson the Feed Line，Yan Zhang，Wei Hong，Chen Yu，Zhen-Qi Kuai，Yu-Dan Don，andJian-Yi Zhou，IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION，VOL.56，NO.9，SEPTEMBER 2008″中设计的一种具有三陷波特性的超宽带天线，天线的辐射单元为一微带馈电的圆形单极子，通过在馈线两侧加载3对不同尺寸的开环谐振器形成了2.24GHz-2.62GHz，3.78GHz-4.03GHz以及5.94GHz-6.4GHz频段的陷波，但在陷波频段内驻波比普遍偏小，滤波性能偏差，同时开环谐振器的双环结构复杂，不便于设计和调试。
发明内容
本发明目的在于针对上述已有技术存在的不足，提供一种频带宽，增益大，小型化，易加工的具有四陷波特性的超宽带天线，以在2-12GHz频段内使驻波比均小于2，覆盖超宽带工作频段，并且能够滤除WiMax和WLAN频段的干扰信号，实现高质量的超宽带无线通信。
上述目的通过以下技术方案实现：
具有四陷波特性的超宽带天线，包括：介质基板、辐射单元、共面波导接地面和共面波导馈电微带线，辐射单元、共面波导接地面和共面波导馈电微带线均印制在介质基板的正表面上，呈轴对称结构，其特征在于：
所述辐射单元与共面波导馈电微带线的上部相连，其上刻蚀有两个互补开口谐振环，两环开口同向，相互嵌套，圆心重合，形成了频段位于2.32-2.7GHz和3.35-3.78GHz的两个陷波；
所述共面波导接地面设为两个，分别位于共面波导馈电微带线的两侧，且与共面波导馈电微带线之间设有间隙t，t的取值为0.1mm-1mm；该共面波导接地面上刻蚀有两对倒L型缝隙，缝隙朝向相同，形成了频段位于5.02-5.45GHz和5.7-6.22GHz的两个陷波。
所述辐射单元为圆形或椭圆形或矩形贴片。
所述辐射单元上刻蚀的两个互补开口谐振环，采用开口的圆形或椭圆形或矩形，开口宽度取值为0.2mm-4mm。
所述互补开口谐振环的半径取值为3mm-9mm，环宽取值为0.1mm-2mm。
所述互补开口谐振环的半径取值为2mm-8mm，环宽取值为0.1mm-2mm。
所述两个共面波导接地面靠近辐射单元的一侧为圆弧形角，远离辐射单元的一侧切去三角形角，被切去三角形的两直角边取值为4mm-7mm。
所述倒L型缝隙的水平枝节长度取值为3mm-12mm，宽度取值为0.1mm-2mm，垂直枝节长度取值为3mm-18mm，宽度取值为0.1mm-2mm。
所述倒L型缝隙的水平枝节长度取值为3mm-12mm，宽度取值为0.1mm-2mm，垂直枝节长度取值为3mm-18mm，宽度取值为0.1mm-2mm。
所述介质基板的介电常数介于2-9.8之间，介质基板厚度为0.5mm-3mm，介电损耗小于10-2。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明由于在辐射单元上刻蚀的两个互补开口谐振环圆心重合，相互嵌套，减小了天线所需的辐射单元的面积。
2、本发明由于在共面波导接地面上刻蚀的两个倒L型缝隙朝向相同，相互嵌套，减小了天线所需的地板的面积。
3、本发明由于采用共面波导馈电结构，且两个共面波导接地面靠近辐射单元的一侧为圆弧形角，远离辐射单元的一侧切去三角形角，从而改善了工作频段内的高频阻抗匹配特性。
4、本发明由于采用共面波导馈电结构，地板与辐射单元印制在介质基板的同一侧，结构简单，便于与射频前端的微波电路集成。
5、本发明由于通过在辐射单元上刻蚀互补开口谐振环以及在地板上刻蚀倒L型缝隙形成了四个陷波频段，有效的滤除了超宽带频段范围内的窄带干扰信号，滤波效果较好。
6、本发明采用互补开口谐振环和倒L型缝隙结构，代替了滤波器的设计，降低了设计成本和系统复杂性，使得天线结构简单，紧凑小巧，加工方便，成本低廉，便于生产。
7、本发明能根据实际需求自行改进，通过调节辐射单元、互补开口谐振环及倒L型缝隙的尺寸，来改变天线性能，滤除频带内各种干扰信号，具有陷波可调性能，满足不同的应用情况，改进方法简单易行。
附图说明
图1为本发明实施例1的正视图；
图2为本发明实施例1的侧视图；
图3为本发明实施例2的正视图；
图4为本发明实施例3的正视图；
图5为本发明实施例1的仿真与测试驻波曲线图；
图6为本发明实施例1在2GHz的测试辐射方向图；
图7为本发明实施例1在5GHz的测试辐射方向图；
图8为本发明实施例1在7GHz的测试辐射方向图；
图9为本发明实施例1的测试增益曲线图。
具体实施方法：
下面结合实施例及附图，对本发明做进一步描述：
实施例1：
参见图1和图2，本发明的超宽带天线，包括：介质基板1、辐射单元2、共面波导接地面3和共面波导馈电微带线4，该辐射单元2、共面波导接地面3和共面波导馈电微带线4均印制在介质基板1的正表面上。辐射单元2为圆形贴片，与共面波导馈电微带线4的上部相连，该辐射单元2上刻蚀有两个互补开口谐振环5和6，两环采用开口的圆形形状，开口向上，圆心重合，相互嵌套，环的长度为对应谐振频率波长的1/2，即
Figure BDA0000139794410000041
其中ln为互补开口谐振环的环长，c为光速，fn为陷波中心频率，εeff为等效介电常数。根据上述公式，可计算出两个互补开口谐振环5和6的环长，进而确定出两环的半径与环宽。互补开口谐振环的开口宽度对陷波特性的影响不太大，可在0.2mm-3mm之间任意设定，前提是保证环的总长基本保持不变。为了得到更精确的尺寸，可以借助电磁仿真软件HFSS进行优化调试。本实例中的超宽带天线，互补开口谐振环5和6分别形成了频段位于2.32-2.7GHz和3.35-3.78GHz的两个陷波，陷波的中心频率fn分别为2.4GHz和3.5GHz，两环尺寸如下：互补开口谐振环5的半径为7.6mm，环宽为0.2mm，环开口处宽度为0.2mm；互补开口谐振环6的半径为5.5mm，环宽为0.9mm，环开口处宽度为0.2mm。通过调节互补开口谐振环的尺寸，可以改变陷波的频段，例如互补开口谐振环5的半径为8mm，环宽为0.3mm，环开口处宽度为1mm时，该环产生的陷波频段位于2-3GHz；互补开口谐振环6的半径为6mm，环宽为0.3mm，环开口处宽度为1mm时，该环产生的陷波频段位于3.1-3.9GHz。
共面波导接地面3设为两个，分别位于共面波导馈电微带线4的两侧，且与共面波导馈电微带线4之间设有间隙t，t的取值为0.1mm-1mm，通过调节t的大小，可以优化工作频段内天线的阻抗匹配特性，本实例中t的取值为0.2mm。两个共面波导接地面3靠近辐射单元2的一侧为圆弧形角，远离辐射单元2的一侧切去三角形角，通过调节弧形与三角形的尺寸，改善工作频段内高频的阻抗匹配特性。本实例中弧形半径为0.5mm，被切去三角形的两直角边为6mm。该共面波导接地面3上刻蚀有两对倒L型缝隙7和8，这两个缝隙相互嵌套，朝向相同，且长度为对应谐振频率波长的1/4，即
Figure BDA0000139794410000051
其中ln为倒L型缝隙的总长，c为光速，fn为陷波中心频率，εeff为等效介电常数。根据该公式，可计算出两对倒L型缝隙7和8的长度。为了得到更精确的尺寸，可以借助电磁仿真软件HFSS进行优化调试。本实例中的超宽带天线，倒L型缝隙7和8分别形成了频段位于5.02-5.45GHz和5.7-6.22GHz的两个陷波，陷波的中心频率fn分别为5.2GHz和5.8GHz，缝隙尺寸如下：倒L型缝隙7的水平枝节的长度为4.9mm，宽度为0.5mm，垂直枝节的长度为13.5mm，宽度为0.25mm；倒L型缝隙8的水平枝节的长度为14.7mm，宽度为0.5mm，垂直枝节的长度为6.8mm，宽度为0.25mm。通过调节倒L型缝隙的尺寸，可以改变陷波的频段，例如倒L型缝隙7的水平枝节的长度为5.1mm，宽度为0.5mm，垂直枝节的长度为13.8mm，宽度为0.25mm时，产生的陷波频段位于4.9-5.35GHz；倒L型缝隙8的水平枝节的长度为15mm，宽度为0.5mm，垂直枝节的长度为7mm，宽度为0.25mm时，产生的陷波频段位于5.55-5.9GHz。
所述辐射单元2、共面波导接地面3、共面波导馈电微带线4以及所刻蚀的互补开口谐振环5和6、倒L型缝隙7和8均关于介质基板1的中轴线呈轴对称结构。
所述介质基板1的介电常数为2.65，基板厚度为1mm，介电损耗为0.0015。
所述辐射单元2上刻蚀的两个互补开口谐振环5和6，不限于圆形结构，也可采用开口的椭圆形或矩形或曲线形状。
实施例2：
参见图3，本实施例中超宽带天线的辐射单元2为矩形贴片，该辐射单元2上刻蚀的两个互补开口谐振环5和6采用开口的矩形形状，其余结构与实施例1中的超宽带天线一样，各结构之间的关系也与实施例1中的超宽带天线一样。
所述辐射单元2上刻蚀的两个互补开口谐振环5和6，不限于矩形结构，也可采用开口的圆形或椭圆形或曲线形状。
实施例3：
参见图4，本实施例中超宽带天线的辐射单元2为椭圆形贴片，该辐射单元2上刻蚀的两个互补开口谐振环5和6采用开口的椭圆形形状，其余结构与实施例1中的超宽带天线一样，各结构之间的关系也与实施例1中的超宽带天线一样。
所述辐射单元2上刻蚀的两个互补开口谐振环5和6，不限于椭圆形结构，也可采用开口的圆形或矩形或曲线形状。
本发明的效果可通过以下测试图进一步说明：
对本发明实施例1的驻波比进行测试，其结果如图5所示，由图5的测试驻波曲线图可见，本发明的超宽带天线工作频段覆盖2-12GHz，且形成了四个陷波，陷波频段分别覆盖了2.3-2.5GHz，3.3-3.6GHz，5.15-5.35GHz和5.725-5.825GHz。
对本发明实施例1在2GHz，5GHz和7GHz的辐射方向图分别进行测试，其结果如图6、图7、图8所示，由图6、图7、图8的测试辐射方向图可见，本发明的超宽带天线具有水平全向性。
对本发明实施例1的增益进行测试，其结果如图9所示，由图9的测试增益曲线图可见，本发明的超宽带天线的增益在工作频段内基本处于2-6dBi之间，在陷波频段的中心频率处增益显著下降，天线在陷波频段处几乎不工作，达到了抑制干扰的效果。

Claims (9)

1.一种具有四陷波特性的超宽带天线，包括：介质基板(1)、辐射单元(2)、共面波导接地面(3)和共面波导馈电微带线(4)，该辐射单元(2)、共面波导接地面(3)和共面波导馈电微带线(4)均印制在介质基板(1)的正表面上，呈轴对称结构，其特征在于：
所述辐射单元(2)与共面波导馈电微带线(4)的上部相连，该辐射单元上刻蚀有两个互补开口谐振环(5)和(6)，两环开口同向，相互嵌套，圆心重合，形成了频段覆盖2.3-2.5GHz和3.3-3.6GHz的两个陷波；
所述共面波导接地面(3)设为两个，分别位于共面波导馈电微带线(4)的两侧，且与共面波导馈电微带线(4)之间设有间隙t，t的取值为0.1mm-1mm，该共面波导接地面(3)上刻蚀有两对倒L型缝隙(7)和(8)，缝隙朝向相同，形成了频段覆盖5.15-5.35GHz和5.725-5.825GHz的两个陷波。
2.根据权利要求1所述的具有四陷波特性的超宽带天线，其特征在于：辐射单元(2)为圆形或椭圆形或矩形贴片。
3.根据权利要求1所述的具有四陷波特性的超宽带天线，其特征在于：辐射单元(2)上刻蚀的两个互补开口谐振环(5)和(6)，采用开口的圆形或椭圆形或矩形或曲线形状，开口宽度的取值为0.2mm-3mm。
4.根据权利要求1所述的具有四陷波特性的超宽带天线，其特征在于：互补开口谐振环(5)的半径取值为3mm-9mm，环宽取值为0.1mm-2mm。
5.根据权利要求1所述的具有四陷波特性的超宽带天线，其特征在于：互补开口谐振环(6)的半径取值为2mm-8mm，环宽取值为0.1mm-2mm。
6.根据权利要求1所述的具有四陷波特性的超宽带天线，其特征在于：两个共面波导接地面(3)靠近辐射单元(2)的一侧为圆弧形角，远离辐射单元(2)的一侧切去三角形角，被切去三角形的两直角边取值为4mm-7mm。
7.根据权利要求1所述的具有四陷波特性的超宽带天线，其特征在于：倒L型缝隙(7)的水平枝节的长度取值为3mm-12mm，宽度取值为0.1mm-2mm，垂直枝节的长度取值为3mm-18mm，宽度取值为0.1mm-2mm。
8.根据权利要求1所述的具有四陷波特性的超宽带天线，其特征在于：倒L型缝隙(8)的水平枝节的长度取值为3mm-12mm，宽度取值为0.1mm-2mm，垂直枝节的长度取值为3mm-18mm，宽度取值为0.1mm-2mm。
9.根据权利要求1所述的具有四陷波特性的超宽带天线，其特征在于：介质基板(1)的介电常数介于2-9.8之间，介质基板厚度为0.5mm-3mm，介电损耗小于10-2。
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