CN102916246A - 一种针对超宽带系统的抗干扰多阻带uwb天线单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对超宽带系统的抗干扰多阻带UWB天线单元。接地板方形贴片中间镂刻有一个圆形缺槽，以圆形贴片为主要辐射体设置在所述圆形缺槽内；辐射体上开槽设置有C型寄生Strip单元，在接地板上设置有C型开槽Slot单元和倒U型单元，所述寄生Strip单元和开槽Slot单元可设置一个或一个以上。本发明在不增加天线尺寸和成本的基础上，通过增加寄生谐振单元和开槽谐振单元的方法提供简洁的、灵活的、高可靠性的UWB天线，实现整个UWB频段内的任意阻带以及多频段阻带，针对WLAN技术、X波段的卫星通信技术的下行波段和ITU的四阻带UWB天线，具有很好的宽带特性和全向辐射特性。

Description

一种针对超宽带系统的抗干扰多阻带UWB天线单元

技术领域

本发明主要涉及天线和UWB系统抗干扰领域，尤其是针对多种无线通信技术共存的复杂环境下的UWB通信技术。

背景技术

近年来，超宽带(UWB)技术由于其大带宽、高速率、抗多径等特性，在短距离无线通信中有着广泛的应用前景，受到人们越来越多的关注。UWB天线作为UWB系统中的关键组成部分，其相关的研究也成为人们研究的热点。另一方面，由于UWB涉及到的频谱在3.1～10.6GHz的宽频范围内，此频段中已经应用到的技术比较多，如WLAN技术(5.15～5.35GHZ、5.75～5.85GHz)、X波段的卫星通信技术的下行波段(7.25～7.75GHz)和ITU(8.025～8.4GHz)等，要避免UWB技术与这些技术的相互干扰，需要采取相关的抗干扰技术。避免UWB信号在相应的频段工作是抗干扰的有效手段，传统的方法是在天线端加上与对应频段相对应的滤波器，这无疑增加了系统的成本与复杂度，阻带天线技术的出现有效的解决了此类问题。

就目前的研究进展而言，基于UWB天线的阻带天线有很多，实现的方法也有很多种。总的而言，常用的实现阻带技术的方法可以分为以下两类：寄生谐振单元法和开槽谐振单元法。前者主要是在辐射体或其周围增加相应的寄生单元来实现对应频率点的谐振，其谐振频率与谐振单元的长度成反比。后者主要是在辐射体或接地板上蚀刻开槽单元来获得对应频点的谐振，其谐振频率亦与开槽单元的长度成反比。

需要得指出的是：上述两种技术路线都只能存在着各自的局限性。基于寄生谐振单元的阻带技术主要受到天线上可用空白空间的限制，且多个寄生单元间的相互干扰也是天线设计中的一个重要影响因素；基于开槽单元的阻带技术主要受到天线辐射体或接触地尺寸的限制，且过多的开槽亦会产生干扰。因此，要想实现多频点的阻带抑制，需要充分考虑到各个技术间的优缺点。基于两种技术结合的多阻带技术虽然也有研究，但目前关于四阻带或者更多阻带的UWB天线的研究还是较少。

发明内容

鉴于现有系统对抗干扰的要求以及多频频段工作的需要，本发明旨在提供一种简洁的、灵活的、高可靠性的UWB天线，在不增加天线尺寸和成本的基础上，通过增加寄生谐振单元和开槽谐振单元的方法，实现整个UWB频段内的任意阻带以及多频段阻带。

本发明的目的通过如下手段来实现。

一种针对超宽带系统的抗干扰多阻带UWB天线单元，其特征在于，接地板方形贴片中间镂刻有一个圆形缺槽，以圆形贴片为主要辐射体设置在所述圆形缺槽内；辐射体上开槽设置有C型寄生Strip单元，在接地板上设置有C型和倒U型单元开槽Slot单元，所述寄生Strip单元和开槽Slot单元可设置一个或一个以上。

采用本发明的结构，与现有技术相比，在不增加天线尺寸和成本的基础上，通过增加寄生谐振单元和开槽谐振单元的方法，提供一种简洁的、灵活的、高可靠性的UWB天线，实现整个UWB频段内的任意阻带以及多频段阻带。该天线易于加工、便于集成，辐射方向图有很好的全向特性，且应用灵活，适用于UWB频段内任意阻带的需求。针对WLAN技术、X波段的卫星通信技术的下行波段和ITU的四阻带UWB天线，具有很好的宽带特性和全向辐射特性，在所要求的频段内有很好的频率抑制功能。仿真及测量结果表明，本发明中所提的四阻带UWB天线对WLAN频段、X-波段卫星通信下行链路频段和ITU频段有很好的抑制功能，适合复杂环境下的UWB系统的应用。基于此天线的Chipless UWB RFID tag有着代替条形码的功能，对物联网的广泛应用有着积极的促进作用。

附图说明如下：

图1多阻带UWB天线基本结构。

图2(a)UWB天线单元结构图；(b)UWB天线单元的S11特性曲线；(c)UWB天线单元的辐射方向图。

图3开槽单元对谐振频点的关系图。图3(a)(b)(c)分别为开槽单元的长度、宽度和位置对谐振频点的影响；

图4寄生单元对谐振频点的关系图。图4(a)(b)(c)分别为寄生单元的长度、宽度和位置对谐振频点的影响；

图5四阻带UWB天线模型。

图6四阻带UWB天线性能分析图：(a)四阻带UWB天线S11特性；(b)四阻带UWB天线E面辐射图；(c)四阻带UWB天线H面辐射图。

图7为C型和倒U型单元开槽Slot单元5-bits无源无芯片UWB RFID Tag：(a)5-bits无源无芯片UWB RFID tag结构；(b)谐振点编码方案(11111编码)。

具体实施方式

下面，结合附图对本发明的结构作进一步的详述。

图1为本发明设计的UWB天线模型的结构框架图，UWB天线单元101、接地板方形贴片中间镂刻有一个圆形缺槽，以圆形贴片为主要辐射体设置在所述圆形缺槽内；寄生单元102，开槽单元103，改变寄生单元102和开槽单元103的数目与形状，可实现UWB频段内的多个任意频段阻带特性的UWB天线。

图2为UWB天线单元模型及其性能分析。图2(a)为UWB天线基本模型，共面波导天线具有单面覆铜、尺寸小、便于印制等特点，在实际应用中有着广阔的前景而受到人们的关注。本发明基于共面波导馈电的特点，设计了图2(a)所示的CPW UWB天线。图2(b)为上述CPW UWB天线的VSWR曲线的仿真与测量结果图，从图中可以看出，实际测量的VSWR与仿真的VSWR曲线吻合较好，显示该天线在3.1～12GHz范围内都有VSWR<2，具有良好的宽带特性，满足UWB的工作要求。图2(c)为本发明所提天线的辐射性能图，从图中可以看出，天线在H面近似为圆形，具有很好的全向性。

图3、图4为开槽单元和寄生单元对谐振频点的关系图。其中，寄生单元长度变化是在保证寄生单元位置不变的前提下，以其终端所在端面距离基板底边的距离变化来衡量。对于开槽单元长度的变化亦是如此，以开槽单元的终端端面距离基板底板的距离变化来衡量。从图3(a)可以看出，开槽单元长度从3～9mm变化时，对应谐振点从3～7GHz变化。由于随着阻带频率的逐渐增加，其S11幅度逐渐降低，从而导致寄生单元法在更高频率时无法得到理论的结果；从图4(a)可以看出，寄生单元从3～9mm变化时，对应的谐振点从7～12GHz变化，这一变化很好的弥补了开槽单元法在UWB高频段的不足，而由于受到天线尺寸的限制，寄生单元无法实现UWB低频段的阻带功能。因此，从寄生单元和开槽单元长度变化所对应的谐振点变化可以看出，结合两种阻带技术，可以实现3～12GHz内的任意阻带。

图5四阻带UWB天线模型，从图中可以看出，模型中包含一个圆弧形寄生单元、两个圆弧形开槽单元和一个倒U型开槽单元。其中圆弧形寄生单元对应产生ITU频段的阻带，两个圆弧形开槽单元对应产生WLAN频段的两个阻带，倒U型开槽单元对应产生X-波段卫星通信的下行链路所对应的频段。根据开槽单元长度与谐振频率的关系式(1)可确定对应槽的长度： $L_{S1}\left(\mathrm{mm}\right)=c/(2\&times;\sqrt{\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_r+1}{2}}\&times;f_{S1})=16.5\left(\mathrm{mm}\right),L_{S2}\left(\mathrm{mm}\right)=c/(2\&times;\sqrt{\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_r+1}{2}}\&times;f_{S2})=18.7\left(\mathrm{mm}\right),$ $L_{U1}\left(\mathrm{mm}\right)=c/(2\&times;\sqrt{\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_r+1}{2}}\&times;f_{U1})=24.2\left(\mathrm{mm}\right),$ 寄生单元的长度又公式(2)可初定 $L_{\mathrm{Strip}}\left(\mathrm{mm}\right)=c/(\sqrt{\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_r+1}{2}}\&times;f_{\mathrm{Strip}})=22.4\left(\mathrm{mm}\right),$ 以此为基础优化可实现对所需频段的阻带特性。

图6四阻带UWB天线性能分析图，图(a)为四阻带UWB天线的仿真S11曲线与实际测量S11曲线，从图中可以看出，实际测量的结果与仿真结果很好的吻合，各个阻带均满足设计要求；图(b)(c)为测量的四阻带UWB天线方向图，可以看出，本发明所设计的天线在5.205GHz、5.835GHz、7.545GHz和8.355GHz频点上都有着很好的全向辐射性。

图7为5bits无源无芯片UWB RFID tag模型及信息编码方案。从图(b)可以看出，通过改变天线上的寄生单元和开槽单元，可以很好的控制天线的谐振频点，以此可达到UWB标签信息编码的目的。

由以上仿真和实验结果中可以观察到本发明的多阻带UWB天线结构具有可调性。因此能够对上述其他种类复用信号进行多种码型转换，且速率透明。

实施例1

天线单元以一个半径为7mm的圆形贴片为主要辐射体，接地板为26mm×28mm的方形贴片，在方形贴片中间刻有一个半径为12mm的圆形缺槽，从而与辐射体形成共面波导馈电，其结构如图1所示。基板材料的介电常数为4.4、介质损耗角正切为0.002，基板厚度为0.4mm。以接地板左上角为参考点，接地板中的开槽圆圆心位置为(13mm，15.5mm)，天线辐射体圆心位置为(13mm，30mm)，馈线宽度为1.8mm，接地板与馈线间的间距为0.2mm。

可以在天线辐射体与接地间的空隙中增加寄生单元或在辐射体上蚀刻开槽单元来实现不同的阻带特征，通过对这些谐振点位置进行变化，实现不同信息的编码，可以实现无源无芯片UWB RFID标签。通过改变天线结构中的寄生单元strip和开槽单元slot，可以实现对应频率谐振点的有无，以此作为标签的‘0’、‘1’编码。

表1.Chipless UWB RFID tag信息编码方案

本发明列举了基于四阻带天线的5bits的Chipless UWB RFID标签，该标签结构简单、成本低廉、制作容易、便于印制，可以代替条形码的功能，在物联网中有着极大的应用潜质。

Claims (3)

1.一种针对超宽带系统的抗干扰多阻带UWB天线单元，其特征在于，接地板方形贴片中间镂刻有一个圆形缺槽，以圆形贴片为主要辐射体设置在所述圆形缺槽内；辐射体上开槽设置有C型寄生Strip单元，在接地板上设置有C型和倒U型单元开槽Slot单元，所述寄生Strip单元和开槽Slot单元可设置一个或一个以上。

2.根据权利要求1所述的抗干扰多阻带UWB天线单元，其特征在于，所述天线基于共面波导馈电，针对WLAN技术、X波段的卫星通信技术的下行波段和ITU的四阻带UWB天线，具有很好的宽带特性和全向辐射特性，在所要求的频段内有很好的频率抑制功能。

3.根据权利要求1所述的抗干扰多阻带UWB天线单元，其特征在于，通过改变寄生Strip单元和开槽Slot单元的数目与形状，实现UWB频带内任意频带的阻带特性，以及构成多比特的Chipless UWB RFID标签。

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