CN102637955B - 具有带阻特性的小型超宽带微带天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有带阻特性的小型超宽带微带天线，在介质板(20)正面采用渐变(4)、渐变(5)、渐变(6)与矩形枝节(1)、矩形枝节(2)、矩形枝节(3)相结合的方式馈电；介质板(20)背面的接地面(15)开矩形槽(7)、矩形槽(8)、矩形槽(9)、矩形槽(10)用于加强接地面(15)与微带线(14)之间的电场耦合，在接地面(15)左右对称的开矩形切口(17)、矩形切口(21)用于调节辐射单元(12)与接地面(15)之间的电抗分量。本单元天线在3.1GHz-10.9GHz的频带范围内反射损耗小于-10dB，且具有较好的全向辐射特性。阻带为4.9GHz-5.9GHz，可有效的阻隔来自WLAN频段的干扰。

Description

具有带阻特性的小型超宽带微带天线

技术领域

本发明属于微带天线技术领域，特别涉及具有带阻特性的小型化超宽带天线单元。

背景技术

《李明洋.HFSS电磁仿真设计应用详解.北京：人民邮电出版社.2010》介绍了微带天线的设计方法，给出了矩形辐射单元实际长度计算公式：

$L=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{2\sqrt{{\mathrm{\ξ}}_e}}-0.824h\frac{({\mathrm{\ξ}}_e+0.3)(W/h+0.264)}{({\mathrm{\ξ}}_e-0.258)(W/h+0.8)},$ ${\mathrm{\ξ}}_e=\frac{{\mathrm{\ξ}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\ξ}}_r-1}{2}{(1+12\frac{h}{W})}^{-\frac{1}{2}}$

辐射单元宽度的计算公式为：

$W=\frac{{\mathrm{c\λ}}_0}{2}{\left(\frac{{\mathrm{\ξ}}_r+1}{2}\right)}^{-\frac{1}{2}}.$

其中ξ_r为介质相对介电常数；h为介质层厚度；W为辐射单元宽度。并根据此公式设计中心频率为2.45GHz，带宽2.4-2.52GHz的微带贴片天线。上述公式计算的是窄带微带贴片天线，在计算超宽带微带天线时也可以用来作为参考。

自2002年美国联邦通信委员会批准超宽带技术可以应用于民用领域以来，超宽带相关技术的研究得到了突飞猛进的发展。关于超宽带微带天线的小型化设计已经作为一个研究课题被业界广泛关注。小型化技术在许多文献中被总结归纳并且得到了应用，例如《陈宏然.微带天线小型化的研究与设计[D].大连：大连交通大学.2010》、《张猛.小型化多频段超宽带微带天线的研究与设计[D].上海：上海交通大学.2009》等。其中常用的小型化方法有曲流法、加载法、增加介质介电常数等。

由于超宽带无线通信与一些窄带系统(如WLAN)的工作频段重叠，不可避免的会存在干扰现象。为防止干扰，超宽带天线在设计的过程中，将干扰频段(5.15GHz-5.825GHz)设计为带阻特性。为实现WLAN频段的带阻特性，常采用贴片上开缝隙、枝节加载等技术。可以通过查询如下文献了解相关介绍。如《贾登全.超宽带微带天线研究[D].成都：西南交通大学.2009》、《涂升.陷波以及小型化超宽带天线设计[D].西安：西安电子科技大学.2010》等。

至今为止关于具有带阻特性的超宽带天线的设计很多，并且提出了各种各样的小型化、展宽带宽以及带阻技术的方法，但关于调节微带线结构改善带宽的设计并不多见。

发明内容

本发明提出了一种具有带阻特性的小型超宽带微带天线单元。

一种具有带阻特性的小型超宽带微带天线，在介质板(20)正面采用渐变(4)、渐变(5)、渐变(6)与矩形枝节(1)、矩形枝节(2)、矩形枝节(3)相结合的方式馈电；介质板(20)背面的接地面(15)开矩形槽(7)、矩形槽(8)、矩形槽(9)、矩形槽(10)用于加强接地面(15)与微带线(14)之间的电场耦合，在接地面(15)左右对称的开矩形切口(17)、矩形切口(21)用于调节辐射单元(12)与接地面(15)之间的电抗分量；微带线(14)由渐变(4)渐变(5)渐变(6)与矩形枝节(1)矩形枝 节(2)矩形枝节(3)相结合构成，辐射单元(12)通过微带线(14)连接至射频收发 装置，馈电端口处微带线(14)采用50Ω的特性阻抗；辐射单元(12)开圆槽(16)，辐射单元(12)四个角分别开矩形切口(18)、矩形切口(22)、矩形切口(19)、矩形切口(23)，其中矩形切口(18)、矩形切口(22)对称，矩形切口(19)、矩形切口(23)对称，并在介质板(20)背面引入椭圆贴片(13)实现WLAN频带的带阻特性；辐射单元(12)实际长度计算参考公式：

$L=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{2\sqrt{{\mathrm{\ξ}}_e}}-0.824h\frac{({\mathrm{\ξ}}_e+0.3)(W/h+0.264)}{({\mathrm{\ξ}}_e-0.258)(W/h+0.8)},$ ${\mathrm{\ξ}}_e=\frac{{\mathrm{\ξ}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\ξ}}_r-1}{2}{(1+12\frac{h}{W})}^{-\frac{1}{2}}$

辐射单元宽度的计算公式为：

$W=\frac{{\mathrm{c\λ}}_0}{2}{\left(\frac{{\mathrm{\ξ}}_r+1}{2}\right)}^{-\frac{1}{2}}.$

其中ξ_r为介质相对介电常数；h为介质层厚度；W为辐射单元(12)宽度。圆槽(16)直径为辐射单元(12)长度(Y轴)或宽度(X轴)中较小值的1/3-2/3；矩形切口(18)(22)(19)(23)宽度(X轴)和长度(Y轴)分别在辐射单元(12)宽度(X轴)和长度(Y轴)的1/6-1/4之间；椭圆贴片(13)的长轴比圆形槽(16)直径略小，短轴为椭圆贴片(13)长轴的1/2-5/6。介质板采用的是介电常数为9.8的陶瓷材料，厚度在1mm～1.2mm之间.馈电端口处微带线(14)采用50Ω的特性阻抗，宽度计算可参考下列公式：

$\frac{W}{h}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{{8e}^A}{e^{2A}-2}& W/h<2\\ \frac{2[B-1-\ln (\frac{377\mathrm{\&pi;}}{Z_0\sqrt{{\mathrm{\&xi;}}_r}}-1)]}{\mathrm{\&pi;}}+\frac{{\mathrm{\&xi;}}_r-1}{{2\mathrm{\&xi;}}_r}[\ln (\frac{377\mathrm{\&pi;}}{2Z_0\sqrt{{\mathrm{\&xi;}}_r}}-1)-\frac{0.61}{{\mathrm{\&xi;}}_r}+0.39]& W/h>2\end{array}\right.$

$A=\frac{{\mathrm{\&xi;}}_r-1}{{\mathrm{\&xi;}}_r+1}(0.23+\frac{0.61}{{\mathrm{\&xi;}}_r})+\frac{Z_0}{60}\sqrt{\frac{{\mathrm{\&xi;}}_r+1}{2}}$

其中ξ_r为相对介电常数，h为介质高度，W为微带线宽度，Z₀为特性阻抗。

本文创新性的采用渐变(4)、渐变(5)、渐变(6)与矩形枝节(1)、矩形枝节(2)、矩形枝节(3)相结合的方式对辐射单元(12)馈电，与其它小型超宽带微带天线相比，不仅可以通过调节微带线输入端口(14)的宽度改善端口处的反射损耗，还可以通过改变微带线渐变(4)、渐变(5)、渐变(6)的宽度改善微带线与辐射单元(12)之间的阻抗匹配；同时渐变(4)、渐变(5)、渐变(6)与矩形枝节(1)、矩形枝节(2)、矩形枝节(3)相结合的微带线(14)，与固定宽度的微带线相比增加了电流的流经路径，相对的增加了天线的尺寸，扩展了低频带的工作带宽。

本发明具有带阻特性的超宽带微带天线具有的电气指标为：(1)天线在3.1GHz-10.9GHz的频带范围内反射损耗小于-10dB；(2)阻带为4.9GHz-5.9GHz，可以有效地滤除WLAN频段的信号。

附图说明

图1是本发明具有带阻特性的小型超宽带微带天线单元的结构图，图中虚线表示介质板反面，实线表示介质板正面。

图2是具有带阻特性的小型超宽带微带天线的反射损耗图。

图3是具有带阻特性的小型超宽带微带天线在3.3GHz、5.5GHz、9GHz的H面辐射方向图。

图4是具有带阻特性的小型超宽带微带天线在3.3GHz、5.5GHz、9GHz的E面辐射方向图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

具有带阻特性的小型超宽带微带天线单元。

本发明带阻超宽带微带天线单元，在介质板(20)正面采用渐变(4)、渐变(5)、渐变(6)与矩形枝节(1)、矩形枝节(2)、矩形枝节(3)相结合的方式馈电；介质板(20)背面的接地面(15)开矩形槽(7)、矩形槽(8)、矩形槽(9)、矩形槽(10)用于加强接地面(15)与微带线(14)之间的电场耦合，在接地面(15)左右对称的开矩形切口(17)、矩形切口(21)用于调节辐射单元(12)与接地面(15)之间的电抗分量；辐射单元(12)开圆槽(16)，辐射单元(12)四个角分别开矩形切口(18)、矩形切口(22)、矩形切口(19)、矩形切口(23)，其中矩形切口(18)、矩形切口(22)对称，矩形切口(19)、矩形切口(23)对称，并在介质板(20)背面引入椭圆贴片(13)实现WLAN频带的带阻特性。其中微带线(14)、渐变(4)、渐变(5)、渐变(6)与矩形枝节(1)、矩形枝节(2)、矩形枝节(3)、接地面(15)、辐射单元(12)、椭圆贴片(13)等采用材质为铜。圆槽(16)、矩形切口(18)、矩形切口(22)、矩形切口(19)、矩形切口(23)、矩形切口(17)、矩形切口(21)、矩形槽(7)、矩形槽(8)、矩形槽(9)、矩形槽(10)都是通过对铜介质镂空实现的。

图1给出了具有带阻特性的小型超宽带微带天线单元结构图。

本实例具有带阻特性的超宽带微带天线要求的电气指标为：天线在3.1GHz-10.6GHz的频带范围内反射损耗小于-10dB；阻带为5.15GHz-5.825GHz。

根据以上设计指标要求，本实例确定各部分参数如下：介质板(20)长(Y轴方向)×宽(X轴方向)为28mm×20mm，厚度1.1mm。微带线(14)输入端口宽度通过公式

$\frac{W}{h}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{{8e}^A}{e^{2A}-2}& W/h<2\\ \frac{2[B-1-\ln (\frac{377\mathrm{\&pi;}}{Z_0\sqrt{{\mathrm{\&xi;}}_r}}-1)]}{\mathrm{\&pi;}}+\frac{{\mathrm{\&xi;}}_r-1}{{2\mathrm{\&xi;}}_r}[\ln (\frac{377\mathrm{\&pi;}}{2Z_0\sqrt{{\mathrm{\&xi;}}_r}}-1)-\frac{0.61}{{\mathrm{\&xi;}}_r}+0.39]& W/h>2\end{array}\right.$

$A=\frac{{\mathrm{\&xi;}}_r-1}{{\mathrm{\&xi;}}_r+1}(0.23+\frac{0.61}{{\mathrm{\&xi;}}_r})+\frac{Z_0}{60}\sqrt{\frac{{\mathrm{\&xi;}}_r+1}{2}}$

确定，其中ξ_r为相对介电常数9.8，h为介质高度1.1mm，Z₀为50Ω。代入公式得出结果约为0.95mm；

辐射单元(12)尺寸：

长度计算公式：

$L=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_0}{2\sqrt{{\mathrm{\&xi;}}_e}}-0.824h\frac{({\mathrm{\&xi;}}_e+0.3)(W/h+0.264)}{({\mathrm{\&xi;}}_e-0.258)(W/h+0.8)},$ ${\mathrm{\&xi;}}_e=\frac{{\mathrm{\&xi;}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\&xi;}}_r-1}{2}{(1+12\frac{h}{W})}^{-\frac{1}{2}}$

宽度计算公式：

$W=\frac{{\mathrm{c\&lambda;}}_0}{2}{\left(\frac{{\mathrm{\&xi;}}_r+1}{2}\right)}^{-\frac{1}{2}}.$

作为参考，并通过HFSS软件调整优化，最终确定辐射单元(12)长度(Y轴)为14.4mm，宽度(X轴)为16.4mm.

微带线(14)上的渐变(4)、渐变(5)、渐变(6)与矩形枝节(1)、矩形枝节(2)、矩形枝节(3)的尺寸、接地面(15)矩形槽(7)、矩形槽(8)、矩形槽(9)、矩形槽(10)尺寸、辐射单元(12)尺寸、圆槽(16)尺寸、椭圆贴片(13)尺寸等都是通过HFSS软件调整仿真确定：微带线(14)渐变(4)宽度(X轴方向)由0.95mm逐渐扩大到1.9mm；渐变(5)宽度(X轴方向)由2.5mm逐渐缩小到2.3mm，渐变(6)宽度(X轴方向)由2.1mm逐渐缩小到1.8mm；矩形枝节(1)由点24开始，到点27结束，尺寸为1.8mm(X轴方向)×1mm，矩形枝节(2)由点25开始，到点28结束，尺寸为3.4mm(X轴方向)×1mm，矩形枝节(3)由点26开始，到点29结束，尺寸为3.8mm(X轴方向)×1.2mm；接地面(15)四个矩形槽大小依次是：矩形槽(7)为3.6mm(X轴方向)×0.5mm，矩形槽(8)为2.6mm(X轴方向)×0.3mm，矩形槽(9)为3.6mm(X轴方向)×0.5mm，矩形槽(10)为4.4mm(X轴方向)×0.4mm。接地面(15)矩形切口(17)、矩形切口(21)尺寸为3.1mm×3.1mm；辐射单元(12)圆槽(16)半径为4.3mm。椭圆贴片(13)的短半轴为2.8mm，长半轴为3.9mm。辐射单元(12)四角开矩形切口尺寸分别是：矩形切口(18)、矩形切口(22)为3.4mm(X轴方向)×2.8mm，矩形切口(19)、矩形切口(23)为3.4mm(X轴方向)×2mm。

本实例天线单元可达到的反射损耗效果如下：

图2为本实例天线单元的反射损耗随频率的变化情况：横轴为频率(GHz)，纵轴为分贝值(dB)。曲线表示在3-11GHz反射损耗的变化情况，其中在4.9-5.9GHz处具有带阻特性。

图3为本实例天线单元在3.3GHz、5.5GHz、9GHz的H面辐射方向图。其中圆表示一个固定的增益值，直线表示一个固定的方位值。该图表明，本发明的天线H面低频带具有很好的全向辐射特性，但随着频率的增加，某些方向的增益下降较明显。

图4为本实例天线单元在3.3GHz、5.5GHz、9GHz的E面辐射方向图。其中圆表示一个固定的增益值，直线表示一个固定的方位值。该图表明，本发明的天线E面主要辐射方向为±Z方向，在带阻频带(5.5GHz)辐射场最大辐射方向产生一定的偏离；频率为9GHz时，辐射方向图产生了旁瓣效应。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种具有带阻特性的小型超宽带微带天线，其特征在于，在介质板(20)正面采用第一渐变(4)、第二渐变(5)、第三渐变(6)与第一矩形枝节(1)、第二矩形枝节(2)、第三矩形枝节(3)相结合的方式馈电，第一渐变(4)连接在第一矩形枝节(1)和第二矩形枝节(2)之间馈电，第二渐变(5)连接在第二矩形枝节(2)和第三矩形枝节(3)之间馈电，第三渐变(6)连接第三矩形枝节(3)进行馈电；介质板(20)背面的接地面(15)开第一矩形槽(7)、第二矩形槽(8)、第三矩形槽(9)、第四矩形槽(10)用于加强接地面(15)与微带线(14)之间的电场耦合，在接地面(15)左右对称的开第一矩形切口(17)、第二矩形切口(21)用于调节辐射单元(12)与接地面(15)之间的电抗分量；微带线(14)由第一渐变(4)、第二渐变(5)、第三渐变(6)与第一矩形枝节(1)、第二矩形枝节、(2)第三矩形枝节(3)相结合构成，辐射单元(12)通过微带线(14)连接至射频收发装置，馈电端口处微带线(14)采用50Ω的特性阻抗；辐射单元(12)开圆槽(16)，辐射单元(12)四个角分别开第三矩形切口(18)、第四矩形切口(22)、第五矩形切口(19)、第六矩形切口(23)，其中第三矩形切口(18)、第四矩形切口(22)对称，第五矩形切口(19)、第六矩形切口(23)对称，并在介质板(20)背面引入椭圆贴片(13)实现WLAN频带的带阻特性。

2.根据权利要求1所述的具有带阻特性的小型超宽带微带天线，其特征在于，介质板(20)采用的是高介电常数，厚度为1mm～1.2mm之间。

3.根据权利要求1所述的具有带阻特性的小型超宽带微带天线，其特征在于通过调整椭圆贴片(13)的位置和尺寸，可以改变超宽带天线的带阻频带范围。