CN102610916B - 具有陷波特性的小型超宽带天线 - Google Patents
具有陷波特性的小型超宽带天线 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种具有陷波特性的小型超宽带天线。它由介质基板(1)和位于介质基板(1)上下表面的金属镀层组成，该介质基板(1)的上表面设有辐射单元(2)、微带馈线(4)以及交指电容加载谐振环(6)和(7)；微带馈线(4)由一段特性阻抗为50欧姆的微带线和一段特性阻抗从50欧姆线性渐变的微带线组成；两个不同尺寸的交指电容加载谐振环(6)和(7)印制在微带馈线两侧，用以形成陷波频段；该金属地板由矩形(3)和倒L形(5)组成，印制在介质基板(1)的下表面。本发明的工作频段覆盖3.1-10.6GHz，通过调节相关参数，能按照需求滤除多个窄带频段的干扰信号，保留有用频段，具有频带宽、阻带窄、小型化、抗干扰能力强的优点。
Description
技术领域
本发明属于天线领域，特别是一种具有陷波特性的小型超宽带天线，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，符合高速通信发展的需求，从而得到广泛的应用。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，其中不可避免的存在一些窄带干扰信号，比如频段位于5.15-5.35GHz和5.725-5.825GHz的无线局域网WLAN。为了避免这些频段信号的干扰，就需要设计具有陷波特性的超宽带天线。同时，由于现有的消费电子类设备，特别是便携式无线通信设备，都具有很小的体积和很高的集成度，超宽带天线的小型化设计也成为国内外研究的焦点之一。
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，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，就提出了一种具有单个陷波特性的超宽带天线，该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，天线覆盖频段为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，又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 Multiple NotchedBands Based on Etched Slots on the Patch and/or Split Ring Resonators on theFeed Line，Yan Zhang,Wei Hong,Chen Yu,Zhen-Qi Kuai,Yu-Dan Don,and Jian-YiZhou，IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION,VOL.56,NO.9,SEPTEMBER2008"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，但该天线使用了6个开环谐振器，天线体积较大，同时位于5.2GHz与5.8GHz频带中间的有用频段也被滤除，造成了频带浪费。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术存在的不足，提供一种体积小，频带宽，增益大，具有多陷波特性的超宽带天线，该天线的工作带宽覆盖3.1-10.6GHz，同时通过调节相关参数，能够按照需求滤除多个窄带频段的干扰信号，保留有用频段，实现高质量的超宽带无线通信。
实现上述目的技术关键是：利用近年来出现的交指电容加载谐振环，设计新型谐振结构，并将其应用于超宽带天线的设计中。整个天线包括：介质基板、辐射单元、金属地板和微带馈线，其特征在于：
所述辐射单元与微带馈线的上部相连，该微带馈线由一段特性阻抗为50欧姆的微带线和一段特性阻抗从50欧姆线性渐变到R欧姆的渐变微带线组成，R的取值为60-90欧姆；
所述微带馈线的两侧分别印制有两个不同尺寸的交指电容加载谐振环和，交指电容加载谐振环与微带馈线之间设有间隙t,t的取值为0.2mm-1mm，交指电容加载谐振环通过与微带馈线的耦合，实现双陷波特性；
所述辐射单元、微带馈线以及两个交指电容加载谐振环，均印制在介质基板的上表面；
所述金属地板，由矩形加倒L形组合而成，印制在介质基板的下表面，其中矩形位于介质基板下表面的下部，在矩形的顶边边缘处连接倒L形，该倒L形与微带馈线分别位于介质基板中轴线的两侧。
所述交指电容加载谐振环为矩形形状，由开口谐振环部分与交指部分组成，其中开口谐振环部分开口向上。
所述交指部分由数对交指条交叉构成，交指条的指尖处为开路，末端连接在开口环的开口处，且各交指条之间相互平行。
所述辐射单元为圆形或椭圆形或矩形贴片。
所述辐射单元和微带馈线位于介质基板中轴线的左侧或右侧，与介质基板中轴线之间的距离为1mm-5mm。
所述倒L形位于介质基板中轴线的右侧或左侧，该倒L形的水平枝节的长度为2mm-6mm，宽度为0.3mm-2mm；垂直枝节的长度不小于12mm，宽度为0.3mm-2mm。
所述开口谐振环部分的长度为3mm-7mm，宽度为3mm-7mm，环宽为0.2mm-2mm。
所述交指部分的交指数目为2-4对，交指长度为1mm-5mm。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明采用的微带馈线由一段50欧姆微带线、一段特性阻抗从50欧姆线性渐变到R欧姆的渐变微带线组成，可以更好的实现阻抗匹配。
2、本发明采用的金属地板由矩形加倒L形组合而成，增加了地板上的电流路径，减小了天线的尺寸。
3、本发明采用两个不同尺寸的交指电容加载谐振环形成双陷波，而常规的对称加载方式则需要4个谐振环单元，因此缩短了馈线的尺寸，减小了天线体积。
4、本发明采用交指电容加载谐振环形成陷波，与一般形成陷波的结构相比，体积小巧，形成陷波的频带很窄，有效的滤除了超宽带频段内的窄带干扰信号，保留有用频段，滤波效果较好。
5、本发明采用交指电容加载谐振环形成双陷波，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。
6、本发明由于采用平面单极子天线形式，结构简单，便于与射频前端的微波电路集成。
7、本发明能根据实际需求通过调节辐射单元与交指电容加载谐振环的尺寸，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。同时，通过增加交指电容谐振环的个数，可以实现更多的陷波特性，以满足不同的应用情况。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构正视图；
图2为本发明实施例1的结构侧视图；
图3为本发明实施例2的结构正视图；
图4为本发明实施例3的结构正视图；
图5为本发明实施例1的仿真与实测驻波曲线图；
图6为本发明实施例1在4GHz的测试辐射方向图；
图7为本发明实施例1在6GHz的测试辐射方向图；
图8为本发明实施例1在9GHz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、金属地板、微带馈线4以及两个交指电容加载谐振环6和7，该辐射单元2、微带馈线4以及两个交指电容加载谐振环6和7均印制在介质基板1的上表面，辐射单元2采用圆形贴片，该辐射单元2与微带馈线4的上部相连。微带馈线4由一段特性阻抗为50欧姆的微带线和一段特性阻抗从50欧姆线性渐变到R欧姆的渐变微带线组成，R的取值为60-90欧姆，通过调节R的大小，可以优化工作频段内天线的阻抗匹配特性，本实施例中R的取值为75欧姆，辐射单元2和微带馈线4位于介质基板1中轴线的左侧，与介质基板1中轴线之间的距离为2mm。
金属地板由矩形3加倒L形5组合而成，印制在介质基板1的下表面，其中矩形3位于介质基板1下表面的下部，在矩形3的顶边边缘处连接倒L形5，该倒L形5位于介质基板1中轴线的右侧，其尺寸可根据天线所需的最低工作频率进行调节，本实施例中天线的最低工作频率为3GHz，倒L形5的尺寸为：水平枝节的长度为5mm，宽度为0.5mm，垂直枝节的长度为13.5mm，宽度为1mm。
所述交指电容加载谐振环6和7为矩形形状，两环的尺寸不同，分别印制于微带馈线4的两侧，且与微带馈线4之间设有间隙t,两环通过与微带馈线4的耦合，实现双陷波特性，根据陷波频段带宽的要求，可以确定t的取值。
交指电容加载谐振环6和7均由开口谐振环部分8与交指部分9组成，其中开口谐振环部分8开口向上，交指部分9由数对交指条交叉构成，交指条的指尖处为开路，交指条的末端连接在开口环的开口处，交指条之间相互平行。
本实施例中的超宽带天线，交指电容加载谐振环6和7分别形成了频段位于5.15-5.4GHz和5.725-5.94GHz的两个陷波，两环距离微带馈线4的距离t为0.5mm，两环尺寸如下：交指电容加载谐振环6的开口谐振环部分8长度为5.9mm，宽度为4mm，环宽为0.6mm，交指部分9的交指数目为2，交指长度为1.8mm；交指电容加载谐振环7的开口谐振环部分8长度为4.3mm，宽度为4mm，环宽为0.6mm，交指部分9的交指数目为2，交指长度为1.6mm。
本实施例中的介质基板1的相对介电常数为2.65，基板厚度为1mm，介电损耗为0.0015。
实施例2：
参见图3，本实施例中超宽带天线的辐射单元2为椭圆形贴片，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。本实施例中微带馈线4由一段特性阻抗为50欧姆的微带线和一段特性阻抗从50欧姆线性渐变到R欧姆的渐变微带线组成，R为75欧姆，辐射单元2和微带馈线4位于介质基板1中轴线的左侧，与介质基板1中轴线之间的距离为2mm。
本实施例中倒L形5位于介质基板1中轴线的右侧，天线的最低工作频率为3.16GHz，倒L形5的尺寸为：水平枝节的长度为2mm，宽度为0.3mm，垂直枝节的长度为13.5mm，宽度为0.3mm。
本实施例中交指电容加载谐振环6和7分别形成了频段位于3.5-4.9GHz和7.5-8.4GHz的陷波，两环距离微带馈线4的距离t为0.2mm，两环的尺寸如下：交指电容加载谐振环6的开口谐振环部分8长度为7mm，宽度为7mm，环宽为2mm，交指部分9的交指数目为4，交指长度为5mm；交指电容加载谐振环7的开口谐振环部分8长度为3mm，宽度为3mm，环宽为0.2mm，交指部分9的交指数目为2，交指长度为1mm。
本实施例中的介质基板1的相对介电常数为2.65，基板厚度为1mm，介电损耗为0.0015。
实施例3：
参见图4，本实施例中超宽带天线的辐射单元2为矩形贴片，辐射单元2和微带馈线4位于介质基板1中轴线的右侧，与介质基板1中轴线之间的距离为2mm，倒L形5位于介质基板1中轴线的左侧，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，本实施例中微带馈线4由一段特性阻抗为50欧姆的微带线和一段特性阻抗从50欧姆线性渐变到R欧姆的渐变微带线组成，R为75欧姆。
本实施例中天线的最低工作频率为2.93GHz，倒L形5的尺寸为：水平枝节的长度为6mm，宽度为2mm，垂直枝节的长度为13.5mm，宽度为2mm。
本实施例中交指电容加载谐振环6和7分别形成了频段位于3.2-3.27GHz和7.31-7.4GHz的陷波，两环距离微带馈线4的距离t为1mm，两环的尺寸如下：交指电容加载谐振环6的开口谐振环部分8长度为7mm，宽度为7mm，环宽为2mm，交指部分9的交指数目为4，交指长度为5mm，；交指电容加载谐振环7的开口谐振环部分8长度为3mm，宽度为3mm，环宽为0.2mm，交指部分9的交指数目为2，交指长度为1mm。
本实施例中的介质基板1的相对介电常数为2.65，基板厚度为1mm，介电损耗为0.0015。
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3.1-10.6GHz，且形成了频段位于5.1-5.36GHz和5.72-5.85GHz的两个陷波。
对本发明实施例1在4GHz，6GHz和9GHz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，比工作频段内的增益约低10dB以上，天线在陷波频段处几乎不工作,达到了抑制干扰的效果。
Claims (8)
1.一种具有陷波特性的小型超宽带天线，包括：介质基板(1)、辐射单元(2)、金属地板和微带馈线(4)，其特征在于：
所述辐射单元(2)与微带馈线(4)的上部相连，该微带馈线(4)由一段特性阻抗为50欧姆的微带线和一段特性阻抗从50欧姆线性渐变到R欧姆的渐变微带线组成，R的取值为60-90欧姆；
所述微带馈线(4)的两侧分别印制有两个不同尺寸的交指电容加载谐振环(6，7)，交指电容加载谐振环与微带馈线(4)之间设有间隙t,t的取值为0.2mm-1mm，交指电容加载谐振环(6，7)通过与微带馈线(4)的耦合，实现双陷波特性；
所述辐射单元(2)、微带馈线(4)以及两个交指电容加载谐振环(6，7)，均印制在介质基板(1)的上表面；
所述金属地板，由矩形(3)加倒L形(5)组合而成，印制在介质基板(1)的下表面，其中矩形(3)位于介质基板(1)下表面的下部，在矩形(3)的顶边边缘处连接倒L形(5)，该倒L形(5)与微带馈线(4)分别位于介质基板(1)中轴线的两侧。
2.根据权利要求1所述的具有陷波特性的小型超宽带天线，其特征在于：交指电容加载谐振环(6，7)为矩形形状，由开口谐振环部分(8)与交指部分(9)组成，其中开口谐振环部分(8)开口向上。
3.根据权利要求2所述的具有陷波特性的小型超宽带天线，其特征在于：交指部分(9)由数对交指条交叉构成，交指条的指尖处为开路，末端连接在开口环的开口处，且各交指条之间相互平行。
4.根据权利要求1所述的具有陷波特性的小型超宽带天线，其特征在于：辐射单元(2)为圆形或椭圆形或矩形贴片。
5.根据权利要求1所述的具有陷波特性的小型超宽带天线，其特征在于：辐射单元(2)和微带馈线(4)位于介质基板(1)中轴线的左侧或右侧，与介质基板(1)中轴线之间的距离为1mm-5mm。
6.根据权利要求1所述的具有陷波特性的小型超宽带天线，其特征在于：倒L形(5)位于介质基板(1)中轴线的右侧或左侧，该倒L形(5)的水平枝节的长度为2mm-6mm，宽度为0.3mm-2mm；垂直枝节的长度不小于12mm，宽度为0.3mm-2mm。
7.根据权利要求2所述的具有陷波特性的小型超宽带天线，其特征在于：开口谐振环部分(8)的长度为3mm-7mm，宽度为3mm-7mm，环宽为0.2mm-2mm。
8.根据权利要求2所述的具有陷波特性的小型超宽带天线，其特征在于：交指部分(9)的交指数目为2-4对，交指长度为1mm-5mm。
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
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